JP2002543467A - 改善された、小さなアークランプからより大きな目標への光の結合 - Google Patents

改善された、小さなアークランプからより大きな目標への光の結合

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JP2002543467A JP2000615841A JP2000615841A JP2002543467A JP 2002543467 A JP2002543467 A JP 2002543467A JP 2000615841 A JP2000615841 A JP 2000615841A JP 2000615841 A JP2000615841 A JP 2000615841A JP 2002543467 A JP2002543467 A JP 2002543467A
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Abstract

(57)【要約】 光ガイド（８）を用いて、より大きい開口数を有する作像源（１）からできる限り多くの光を比較的より小さい開口数を備える光ファイバコンポーネント（７）に結合する。先細のクラッディングされたロッド、光ファイバの先細の溶着された束、先細の中空反射管、ＣＰＣまたは、光ガイドとして使用されるときの負レンズが、フラックス密度の損失なしに光ファイバコンポーネントへの光の効率的な結合を可能とする。そのようなシステムは、球面軸外れリフレクタのように１：１の像を発生するものなどの、高い開口数を備える非常に小さい像スポットサイズを発生する作像源とともに使用されるとき、特に有利である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
この発明は電磁放射を集めて集中させその電磁放射を目標に結合するためのシ
ステムの分野に関するものである。
【０００２】
【発明の背景】
点光源により近似された、インコヒーレント光源からの電磁放射をより効率よ
く集めて集中させるためのシステムを開発することは光ファイバ技術の分野にお
ける目標であった。従来のシステムでは、従来のインコヒーレント光源から発し
た放射を放射フラックスの低減を伴うことなく小さなスポットサイズに向けるこ
とが試みられてきた。
【０００３】 一般に、このようなシステムの開発においては２つの方策がとられてきた。１
つは、光源と目標との間において集光レンズを用いることを伴う。このような集
光レンズは、典型的には、相対的に費用がかかり、スペースをとり、整列させる
ことが本来難しいということがよくあり、色収差および球面収差を生じさせると
いう点で、いくつかの欠点を有する。他方の一般的な方策では、楕円反射鏡が用
いられる。これらの反射システムも非常に費用がかかり、自然な像の拡大を引起
してその結果目標へのフラックス密度における低減をもたらすという欠点を本来
持っている。
【０００４】 最も一般的な先行技術システムでは、図５に示されるようなレンズとともに用
いられるパラボラリフレクタを用いる。このパラボラリフレクタ９は、表面がア
ルミニウムまたは銀のいずれかでコーティングされたランプ１のハウジングを形
成する。ガスはこのハウジング内に窓を介して封止される。ランプのアークはパ
ラボラの焦点に配され、出力ビームが平行な光線からなるようにする。アルミニ
ウムまたは銀からなる反射性コーティングはＵＶから可視光線にわたり赤外線に
至るまでの放射を反射する。この結果、医療照明などの適用例に対しては、可視
フィルタを用いて望まれないＵＶおよび赤外線放射を外すことが必要である。通
常は、波長の鋭い遮断がなされ得ない伝送フィルタが用いられる。この結果もた
らされる出力は、したがって、所望される量を超えるＵＶおよび赤外線放射から
なる。反射性フィルタが用いられると、端部と合焦レンズとの間の距離はそのフ
ィルタに適合するよう大きくされなければならない。これは当該システムの結合
効率を低減する。光を出力装置、たとえば光ファイバ束などに結合するために、
合焦レンズ１０を典型的には用いることにより平行なビームを小さなスポットに
向け直す。レンズからの出力開口数をファイバ束の開口数と一致させて、可能な
最大の結合効率を達成する。パラボラおよび合焦レンズの組合せが有する本来備
わった性質のため、光ファイバ束上へのアークの拡大は開口全体にわたって一定
ではない。この結果、出力スポットサイズは常にランプ自体のアークよりも大き
い。このメカニズムの結果、焦点における可能な最大の輝度またはフラックス強
度は減少する。合焦レンズにより生ずる収差とともに、このようなシステムはア
ークギャップよりも非常に大きいスポットサイズおよび一様でない分布を伴う出
力を生じさせる。
【０００５】 図６はアークランプからの出力をファイバ束に合焦させるための別の一般的な
構成を示す。この場合、ランプのアークは、電極が楕円の長軸に沿って置かれる
楕円リフレクタ３の一方の焦点に置かれる。出力ファイバ７は該長軸に沿った他
方の焦点にある目標６に置かれる。楕円形表面のサイズおよび２つの焦点間の距
離によって出力ビームの開口数が決定される。光が一方の焦点から他方の焦点に
進むさまざまな経路のため、拡大はすべての光線に対し一定ではない。この結果
、他方の焦点での出力スポットサイズは通常はアークそのものよりも数倍大きい
。この本来備わっている拡大により再びアークの輝度が低減される。
【０００６】 クロス（Cross）らへの米国特許第４，７５７，４３１号の明細書をここに引
用により援用するが、その明細書には、軸外れ球面凹状反射システムを利用して
フラックス密度の量を目標点においてこれまでの楕円反射システムよりも向上さ
せる集光システムが開示されている。このようなシステムのレイアウトを図７に
示す。このシステムは、目標スポットにおいてその固有の１：１像拡大から導き
出される増大したフラックス密度を可能にする一方で、そのフラックス集中効率
は目標６とアークランプ１との間の線形の軸外れ距離とともに減少するという欠
点を有する。このようなフラックス損を、軸外れのずれを最小限に抑えることに
より制限するという試みは、照明源および目標または光ファイバ出力装置７の物
理的サイズおよび形状により制限される。ベイカー（Baker）らへの米国特許第
５，４３０，６３４号の明細書をここに引用により援用するが、そこには、米国
特許第４，７５７，４３１号に開示される軸外れ反射システムの変形であって、
凹状トロイダルリフレクタが凹状球面リフレクタ４の代わりに用いられているも
のが開示されている。
【０００７】 先細のロッドおよび円錐を内視鏡の入力光柱に一般には組入れることにより、
大きな径の光源からの集光を最大にしその集められた光をより小さなスポットサ
イズおよびより大きな開口数に変形する。通常、これらの構成は非常に効率が悪
く、なぜならば、該変形を空間および角度の両方において最適にするには円錐の
長さが短すぎるからである。ヘムラー（Hemlar）らへの米国特許第５，７２９，
６４３号には、光をより小さなスポットサイズに合焦させるためにより小さな出
力径へと先細りする入力コア径を有する先細光ファイバを用いることが開示され
ている。
【０００８】 アンダーソン（Anderson）への米国特許第５，６８０，２５７号に示されるよ
うに、レンズおよび円錐インテグレータおよびリフレクタを用いることにより、
小さなスポットサイズへの集光を、増大された角発散を伴って行なうビーム統合
素子も当該技術分野において公知である。しかしながら、これらこれまでのシス
テムは、すべて、光の開口数を必ず増大させる。したがって、このようなシステ
ムは光を光ファイバに結合するために用いられる場合には非効率的である。
【０００９】 スポットサイズを低減しようとする努力の中、結果として生ずる光の開口数の
増大または発散によって、集められた光の大きな部分が像点に置かれた出力光フ
ァイバの開口数を超える。かくして、像点における入射光のかなりの割合がその
ファイバによって伝送され得ない。当該技術分野においては、集光システムから
の光の結合を改善する必要性が依然としてある。
【００１０】
【発明の概要】
この発明の分野では、アークランプ１からのインコヒーレント光は一般には目
標６、たとえば１本のファイバまたはファイバ束の端部などに結像されるよう所
望される。集光システムからの光を光ファイバに結合することは、リフレクタま
たは集光レンズおよび光ファイバ目標の開口数が等しいとき最適化される。概し
て、ファイバからの光出力の開口数は、リフレクタ／レンズシステムまたはファ
イバの開口数の小さいほうと同じとなる。これは、光ファイバは、一般に、光ビ
ームが有し得る最高の伝播角を表わす本来備わった開口数を有しその光ファイバ
内に完全に含まれ得るといわれ得るからである。光ファイバを通過する光がその
ファイバの開口数を超えるときはいつでも光の漏洩が生ずる。この事実は光ファ
イバが曲げられる場合はいつも非常に重要であり、典型的にはそのファイバの有
効開口数における局所化された低減を引起す。かくして、光ファイバを通過する
、そのファイバの開口数よりも小さな開口数を有する高フラックス密度光を持つ
ことは望ましいことである。
【００１１】 その一方で、アークランプからの最大量の光束を目標スポットに向け直すには
、可能な限り大きい開口数を有する１次ミラーを用いることが必要である。一般
に、ミラー／レンズからの高開口数光は目標スポットにおける光ファイバまたは
光ファイバ束のそれよりも大きい。上記の伝送制限のため、これは、目標に到達
する光の大きな部分が出力ファイバによって伝送されずに失われることを意味す
る。
【００１２】 この発明は先行技術を改善して光を大きな径の目標に結合する。それは、高開
口数の光を中間の光学変形装置に結合して、任意の集光システムからのランプか
ら集められた光をより小さな開口数およびより大きなスポットサイズを有する出
力に変形することにより、径および開口数において一致する大きな径の１本のフ
ァイバまたはファイバ束の入力端への効率のよい結合を達成するためのメカニズ
ムを提供する。その最終的な結果は光を同じ目標に結合する先行技術システムよ
りも高い効率および出力である。
【００１３】 先細のロッドおよび円錐を一般には内視鏡の入力光柱に組入れて、大きな径の
光源からの集光を最大にしその集められた光をより小さなスポットサイズおよび
より大きな開口数に変形する。通常、これらの構成は非常に効率的が悪く、なぜ
ならば、該変形を空間および角度の両方において最適にするには円錐の長さが短
すぎるからである。
【００１４】 反射性の内側面を有する先細の中空管をさらに一般には用いることにより光を
光源から「漏斗を通し」て小さなスポットサイズにする。このような中空の先細
管は、両端に開口を有し、一方の開口は他方の開口よりも大きいため、漏斗のよ
うに機能する。この管は光を大きい方の開口で取込み滑らかにそれを円錐面内側
の反射によって小さなスポットサイズおよびより大きな発散に集光して小さい方
の開口にて出す。これらのタイプの光学装置は一般にＬＣＤ投影器、ＤＭＤ投影
器などに組込まれる。
【００１５】 この発明に対する具体的な適用性を伴う別の種類の光ガイドは、複合パラボラ
コンセントレータ（compound parabolic concentrator)または「ＣＰＣ」として
公知の先細の中空管の或る特別な形式である。ＣＰＣは先細の中空管のようであ
るが、それらの内部の反射面はパラボラ状または湾曲している。このような放物
面は大きな光源から発せられた光を遠くにおいて小さなスポットサイズに集中さ
せることにおいて効果的であることがわかっている。したがって、ＣＰＣは太陽
光線を集めて加熱または発電を行なうことにおいて一般的な適用が見出される。
このような適用例の場合、ＣＰＣの入力端はその出力端よりも大きな断面を有し
、その出力端から発せられる光ははるかにより大きな開口数を有する。
【００１６】 中実ガラスＣＰＣも同様の結果をもたらすよう構成され得る。代替的に、レン
ズを光ガイドとして用いることも可能である。米国特許第５，６８０，２５７号
に示されるように、レンズを一般に用いて光を小さな目標スポットに集中させる
。ここでも、そのような使用は増大された光のＮＡまたは発散を必ずもたらす。
【００１７】 単一の先細のクラッディングされたロッドまたは円錐の形式、先細の融着され
た光ファイバ束の形式、反射性の先細の中空管の形式、複合パラボラコンセント
レータの形式、負レンズの形式、またはそれらの組合せの形式の光ガイドは、当
該システムの像点に置かれて、最終的な光ファイバ目標を介する光の伝送を最大
にし得る。この発明は、そのような先行技術装置を、光ガイドとして、それをそ
れらの典型的な使用態様とは逆の態様で利用することにより利用する。上記の装
置を位置決し、それによって、光学集光システムから向けられる入射光、たとえ
ば前述の先行技術システムのうち任意のものから向けられる入射光のスポットサ
イズを大きくし角分布を小さくすることにより、最終的に集められ光ファイバ装
置を介して伝送可能な光の量を最大にする。
【００１８】
【実施例】
この発明の実施例は、一般に、図に示されるように、短いアークランプ１を含
む。好適なアークランプは、約８ｍｍまでのアークギャップを発生させるランプ
を含み、１００〜５００ワットのパワーの範囲であるキセノン、水銀、水銀−キ
セノン、ＡＣメタルハライド、およびＤＣメタルハライド型ランプを含むが、そ
れに限定されるものではない。実験で、１００および５００ワットキセノンなら
びに２５０および２７０ワットメタルハライドアークランプからの１ｍｍ、１．
５ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、および６ｍｍまでのアークギャップを用いて、受入可
能な結果が達成されたことが示された。
【００１９】 アークランプ１は任意の公知の１次集光システムと関連して用いられる。図２
は、軸外れ楕円凹状リフレクタ２が１次コレクタとして用いられるこの発明の一
実施例を示す。図３は、軸上楕円凹状リフレクタ３が１次コレクタとして用いら
れるこの発明の別の実施例を示す。
【００２０】 図１は、軸外れ球面凹状リフレクタ４が１次コレクタとして用いられるこの発
明の１つの好ましい実施例を示す。上記実施例のいずれにおいても、リトロリフ
レクタ５を用いて、図１、図２、および図３にそれぞれ示されるように、１次コ
レクタ２、３または４への光束を増大してもよい。選択肢として、１次コレクタ
およびリトロリフレクタ５を、誘電体材料、アルミニウムまたは銀でコーティン
グすることにより、特定の光の波長が集められるよう所望される状況または広帯
域電子放射が集められるよう所望される状況に対応することが可能である。たと
えば、放射を可視光での照明の目的で用いることになる場合には、そのミラーを
、可視光のみを反射しＵＶおよびＩＲ放射は拒絶するような多層誘電体コーティ
ングでコーティングすることが可能である。その出力は、たとえば色温度を絶対
温度６０００度のオーダで伴うキセノンランプなどのような光源に依存する色温
度を有するにすぎない可視光となるであろう。そのような光出力はたとえば手術
の照明などのような視覚的適用例に特に好適である。
【００２１】 ランプ１からの光は１次コレクタ２、３または４によって目標スポット６に向
けられる。図５、図６および図７に示される先行技術システムでは、光伝送出力
装置７が目標スポット６に置かれる。この発明では、集められた光の開口数およ
びスポットサイズを変形するための装置８、つまり「光ガイド」を目標スポット
に配することにより光を出力装置７のスポットサイズおよび開口数に一致したそ
れに変形する。たとえば、図１および図７は、集められた光がより効率よく入力
され光ファイバ７を介して伝送されそれによって光ファイバ７の遠端にて利用可
能な光の量を増大させる光ガイド６によって異なるものとなっている。
【００２２】 異なる光学装置はこの発明の実施例において光ガイド８として好適に働いても
よい。
【００２３】 先細のクラッディングされたロッドを変形装置８としてこの発明において用い
ることは、光の角分布の最適な変形を可能にする。空間分布は逆に最適化されず
、なぜならば、クラッディングされたロッドの出力は典型的には一様ではなく、
同心の光の輪からなるからである。しかしながら、最終の出力装置７が無作為化
されたファイバ束である場合、光はそのファイバ束の出力でスクランブルされ、
空間におけるプロファイルにおいて一様でない入力を有することの負の結果がな
い。先細の融着された束を代替的に光ガイドとして用いることも可能であるが、
先細の融着束は、先細のロッドと同じガラスの長さに対しては、最終の目標への
光の伝送においてより効率が悪い。しかしながら、先細の融着束からの出力は空
間的に見て無作為化されより一様である。したがって、変形装置８として作用す
る先細の融着束または光ガイドからの光はより容易に大きな径の単一のファイバ
に結合されその単一のファイバから一様な出力を発生させる。より短い融着束の
先細りが用いられる場合、全体の伝送損を最小限に抑えることができる。融着束
の先細りはより短い長さに対してよりよい空間における一様性を与え、なぜなら
ば、融着束の先細りの個々のファイバの小さな径、典型的には８０ミクロン未満
は、角度および空間におけるプロファイルをその個々のファイバの約３０個の径
内に変形するからである。
【００２４】 先細りの中空の反射性管またはＣＰＣも光ガイドとしてこの発明の実施例にお
いて用いられ得る。この管またはＣＰＣの小さい方の開口は、光が出力装置のＮ
Ａおよび出力径とおおよそ等しいそれに変形されるように目標スポットに置かれ
るであろう。
【００２５】 このクラスの光ガイドをたとえば多層誘電体コーティングでコーティングする
ことによりある光の波長のみを反射することができる。コーティングされた先細
の中空の反射性管またはコーティングされたＣＰＣは、使用される集光システム
が望まれない光をフィルタ処理する能力を有さない場合に、この能力をそのユー
ザに与えるであろう。先細の中空の反射性管およびＣＰＣからの出力は通常は非
一様な空間プロファイルを有する。
【００２６】 この発明の光ガイドの他の実施例を図４に示す。負レンズ１１は、光ガイドと
して用いられると、光線ｒ5およびｒ6がより目標スポット表面の法線に偏向され
るようにそれらの光線を出力装置７に向け直す。好ましい実施例では、リーディ
ング平坦面を伴うレンズが用いられる。この偏向の結果、より小さなＮＡおよび
より大きなスポットサイズによるより効率のよい結合がもたらされる。光ガイド
として用いられる負レンズは、先細のクラッディングされたロッドおよび先細の
融着束のように、望まれない光の波長のフィルタとして作用し得る。レンズを光
ガイドとして用いるとき、その光ガイドから射出する光は空間において一様では
なく、球面収差を含むかもしれないことに注目されたい。負レンズを融着束と組
合せて用いることにより空間における一様性が改善される。
【００２７】 この発明の代替的実施例では、出力装置のＮＡおよび径と同様のそれを有する
融着束またはクラッディングされた円筒形ロッドが光ガイドと出力装置との間に
置かれて、光ガイドからの光がロッドまたは融着束を介して出力装置に転送され
得る。それら２つのいずれかを組込む設計ならば、有利な実用的な意味を有する
であろう。光ファイバの融着束の出力からの空間におけるプロファイルは、たと
え入力プロファイルが一様でなくても一様である。したがって、たとえば先細の
クラッディングされたロッド、負レンズまたは先細の中空の反射性管といった、
一様でない空間プロファイルを生ずる光ガイドが用いられる場合、そのような融
着束は一様な入力を光ファイバ出力装置に与え得る。そのような目的で用いられ
るクラッディングされたロッドは、光ファイバ出力装置が特に熱に反応ししたが
って目標スポットにある熱から取除かれる必要がある場合に特に有利であろう。
【００２８】 当業者ならば、この発明の実施例において用いられる特定のタイプの光ガイド
は出力装置および集光システムの目的および詳細に従って変化し、それは、光フ
ィルタ処理が所望されるか否か、光ファイバ出力装置は熱に対し特に反応するか
否か、一様な空間プロファイルが必要であるか否か、およびその具体的なシステ
ムはサイズおよび制約を有するか否か、といったことを含むことを理解するであ
ろう。
【００２９】 図示される実施例における目標スポット６での最大集光に対しては、２つの条
件、つまり（ｉ）目標スポット６の入力径がアークギャップの長さの少なくとも
２倍であるようにして目標スポット６で全体の光の８０％を超える集光を確実に
しなければならないこと、および（ii）目標スポット６における１次集光システ
ムの開口数（「ＮＡ」）を最大にすべきであること、が好まれる。後者の条件は
可能な最大のＮＡを伴う１次コレクタを用いることにより達成される。しかしな
がら、１本のファイバまたはファイバ束のような出力装置７は１次コレクタのＮ
Ａよりも低いＮＡを有するかもしれない。たとえば、１次コレクタからくる目標
スポットでの光は０．７〜０．８のＮＡを有するかも知れず、出力ファイバまた
は束はファイバ束には典型的である約０．５であるかもしれない。このＮＡにお
ける不一致は、光が出力ファイバに直接結合される場合には、大きな光の損失お
よび望まれない熱の発生をもたらす結果となる。以下に論ずるこの発明の好まし
い実施例では、変形装置８は、先細の融着束および先細のクラッディングされた
ロッドの形式にて与えられる場合、１次コレクタから出る大きなＮＡの光を図１
において光線ｒ1およびｒ2によって示される小さなＮＡに変形する。
【００３０】 基本的な光学素子から、光ガイドの径がその長さに沿ってそのガラスの先細り
を介して増大される場合、照明の角度θは減少し、したがって開口数も減少する
。したがって、融着束またはクラッディングされたロッドをより小さな入力領域
からより大きな出力領域へ先細にすることにより、照明の角度は出力装置７のそ
れに一致するように調整される。照明の角度θ、光ファイバ断面の径ｄ、および
開口数ＮＡに関し、固有の関係： ＮＡ1×ｄ1＝ＮＡ2×ｄ2…（１） 式中、ＮＡi＝ｓｉｎ（θi／２）…（２） が当てはまる。この発明において、図１に示されるように、関係（１）および（
２）は光ガイドによって操作されて光の量を光ファイバ出力装置のＮＡおよび径
に対し最適化する。
【００３１】 ランプ１の出力は任意の公知の手段、たとえば球面凹状、トロイダル、または
楕円１次ミラーシステムなどを用いて目標スポット６に結像される。この発明の
好ましい実施例では、それが目標にて与える増大されたフラックス密度のため、
たとえば図７に示されるような先行技術の軸外れ構成のような、１：１作像シス
テムを有することにより、最もよい結果が得られる。アークランプのような光源
の１：１像を生じない集光システムの場合、スポットは、以下に記載するこの発
明の利点を組入れるよう、目標のサイズに比して小さくなければならない。一般
に、用いられる集光システムのタイプは、目標のサイズおよび寸法、光ガイドの
サイズおよびタイプ、または光ファイバ出力装置の径およびタイプ、およびそれ
らのそれぞれの開口数のすべてによって決定されることが多い。
【００３２】 図１に示す集光および作像システムは、軸外れ構成の凹状トロイダルリフレク
タを利用し、約１：１のまたは拡大されていない、アークの像を発生する。しか
しながら、そのような１：１の作像システムの固有の光学収差のために、光学変
形装置または光ガイドの入力断面径が、ランプのアークギャップのサイズの２か
ら３倍であるならば、最大集光効率が達成される。できる限り多くの合計の光を
集めるために、軸外れリフレクタの開口数はできる限り大きいものとされる。た
とえば、図１におけるものなどの軸外れシステムにおいては、ＮＡは典型的には
約０．７であるように設計されるが、これは約９０度の立体角を有する光の錐を
発生するものである。より大きい開口数が可能であり、コンポーネントの機械的
配置によってのみ制限される。この角度は、図１においてθ1として示される。
出力をさらに増大させるために、リトロリフレクタ５が、１次ミラーの正反対に
ランプの後ろに置かれる。リトロリフレクタは、ランプを通りアークを通って合
焦される光を反射し、１次ミラーによって集めることのできる視感度（luminosi
ty）を増大させ、像点、目標スポット６の所での総出力を増大させる。たとえば
熱によるなどの損傷なしに、プラスチックファイバへの光の最大結合を可能とす
るために、先細のクラッディングされたロッドまたは先細の溶着された束とプラ
スチックファイバの入力との間に、溶着された束を置くことができる。先細のク
ラッディングされたロッドが光学変形装置であるならば、溶着された束は、単一
のプラスチックファイバまたはファイバ束に結合するためのより一様な出力を発
生するように、伝送モードのスクランブルを促進もする。
【００３３】 単一の大きな目標の使用とは別に、この発明は、目標としての複数ファイバを
通る高い強度の光のより効率的な結合および伝送も促進する。これは、約５０ミ
クロンの径の、何百または何千の径の小さいファイバものファイバ束だけでなく
、外科的な照射から商業的ディスプレイ照明にまでわたる用途において使用され
るのに十分な量の光を伝送することのできるより大きなファイバの束も含む。単
一ファイバ目標と同様に、ガラス、石英またはプラスチック単一ファイバからな
る複数ファイバ目標は、使用される光ガイドの特定のタイプからの出力に依存し
て、ファイバ目標への損傷を最小にするために中間の溶着された束を介して、ま
たは直接に結合可能である。典型的な光ファイバ出力装置は、典型的には８０ミ
クロン未満の径の、径の小さい光ファイバからなるファイバ束から、典型的には
プラスチックで作られた単一の大きな径の光ファイバまであり得る。各ファイバ
がＡ（ｆ）の断面積を有する複数のファイバを備える目標に関しては、束中のフ
ァイバの総数は、束の出力の断面積をＡ（ｆ）で割ることにより得られる数より
も、必然的に少ない。
【００３４】 この発明の他の実施例は、光ファイバ出力装置としての複数個のファイバに光
を向けることに向けられることができ、各ファイバは典型的には０．１ｍｍより
大きい径でありかつ５ｍｍ未満の径である。この発明のこのさらなる実施例は、
分布光ファイバ照明システムを可能とし、各光ファイバを通る最大の光は、集光
システムの開口数を変形して、個々の光ファイバのものと整合させることにより
達成される。さらに、先細の溶着された束または溶着された束と関連付けられる
先細のクラッディングされたロッドのいずれかの使用は、光のほぼ同じ量を、出
力束中の個々の光ファイバの各々に結合するためのほぼ一様な出力を可能にする
。
【００３５】 本質的には、先細のクラッディングされたロッドは、先細の溶着された束より
も、伝送全体においてより効率的である。他方で、先細のクラッディングされた
ロッドは、先細の溶着された束よりも、ＮＡを完全に変形するのにより長い長さ
を必要とし、ロッドのモードをスクランブルするのにはるかにより長い長さを必
要とする。すなわち、ＮＡを変えることとモードをスクランブルして一様な出力
を発生することとの両方に必要とされる、クラッディングされたロッドのテーパ
長さは、実質的には、ＮＡのみを変えるのに必要とされるものよりもより長い。
典型的には８０ミクロン未満の、先細の溶着された束の個々のファイバの小さい
径は、個々のファイバの約３０個の径以内に角度および空間プロファイルを変形
する。対照的に、先細のクラッディングされたロッドは、開口数を変形もしかつ
空間的に一様な出力を発生するのにもはるかにより長い長さを必要とする。
【００３６】 クラッディングされたロッドに対して、溶着された束はそれほど効率的でない
ので、この発明の実施例における光ガイドとしてのいずれかの適用は、光ファイ
バ出力装置の大きさおよび１次コレクタシステムの配置に依存する。先細の溶着
された束または先細のクラッディングされたロッドのいずれかの場合における変
形に対する全体の効率および最終の開口数は、簡単な光学的ジオメトリに従って
決定され、先細りが生じているテーパの角度および長さに従って異なる。
【００３７】 各実施例の光源が広いスペクトルの出力を有することを考慮すると、波長弁別
は、集光システムの１次リフレクタにおよび／または光学変形装置の入力または
出力表面のいずれかに付与される誘電体コーティングの使用により、この発明に
おいて達成される。
【００３８】 実施例１ 図１に表わされるものなどの、１：１の倍率を有する軸外れ作像システムを採
用することは、残りのコンポーネントの選択に影響を与える。１次ミラーは大き
い集光角を有するので、目標の像は、本質的に、像をアークギャップのサイズよ
りも必然的に大きいものとする非点収差および他の光学収差を経験する。光学変
形装置８の入力径がランプのアークギャップのサイズの２から３倍であり、変形
装置の入力開口数が、目標スポットでの入射光の開口数と同様であるならば、最
大集光係数は１：１の作像システムにおいて達成される。図１において、軸外れ
作像システムのＮＡは約０．７であり、光学変形装置のＮＡは、０．６６または
それより大きい。
【００３９】 出力装置が、０．６ＮＡの、１２ｍｍ径の単一コアプラスチック光ファイバで
あるならば、約６ｍｍ未満である小さい合焦スポットを発生するいかなる作像シ
ステムも好適であろう。軸外れ作像システムに存在する１：１の倍率について、
約３ｍｍのアークギャップを備えるランプが、像をぼけさせるシステムにおける
光学収差を考慮して、目標スポットでの少なくとも８０％の集光を確実とするの
に好適であろう。
【００４０】 この実施例について大まかに言えば、出力光ファイバ装置の径ｄ3は、先細の
光ガイドの出力径ｄ2にほぼ等しいかまたはそれより大きく、ｄ2およびｄ3より
小さい、先細の光ガイドの入力径ｄ1は、アークギャップの長さのほぼ２倍でな
ければならない（または、特定されない拡大特性の作像システムの何らかの他の
タイプについてのアークギャップ比に対する固有の像スポットサイズにほぼ等し
い）。さらに、出力光ファイバのＮＡ、ＮＡ３は、ＮＡ２、光学変形装置８から
の出力ＮＡにおおよそ等しいものであるべきであり、ＮＡ２より大きい入力ＮＡ
１は、最適な全体効率を生じるために集光システムのものと同様であるべきであ
る。さらに、素子８のテーパ角度および長さは、方程式１によって決定される。
【００４１】 実施例２ この発明の最大集光効率が集光／作像光学部品および光ガイドの設計の両方に
依存することを考慮すれば、目標のサイズに依存して光ファイバ目標を通って伝
送される集められた光の量を増大させるであろう構成または好ましい実施例のフ
ァミリーがある。軸外れの構成において、１次ミラーからより高い集光効率を獲
得することは、１次ミラーの有効ＮＡが増大することを必要とする。しかしなが
ら、光が目標に反射される立体角を増大させることにより、図２に示すように、
１：１に作像される代わりに、一部の光線は拡大され、一部は縮小される。たと
えば、図に示すように光線ｒ3は、目標スポット６よりもランプ１により近いミ
ラーの上に反射点を有し、これは目標上に拡大された像を与えるであろう。図示
のとおり、光線ｒ4は、ランプよりもミラーにより近いミラーに反射点を有し、
縮小された像を与えるであろう。すべての光線の合計からなる全体の像サイズは
、１：１から全体のスポットサイズを増大させる。像サイズの増大を補償するこ
とは、先細のロッドまたは溶着された束の入力の径が、集光効率を最大にするよ
う増大され、かつ、典型的には光源のアークギャップの長さの約２倍と約３倍と
の間あたりであることを必要とする。したがって、２ｍｍのランプアークギャッ
プを備え、最大３：１の部分的拡大を有する図２におけるものなどの、非一様な
作像軸外れ光学システムは、収差がないとすれば約６ｍｍの目標スポット径を発
生し、先細のロッドについて６ｍｍの入力を必要とするであろう。
【００４２】 実施例３ より大きい集光角にわたって光を集め利用するための別の方法は、図３に示す
ように拡張楕円リフレクタを使用することである。この構成を用いると、光の大
部分はリフレクタによって集められるが、倍率は１：１ではない。典型的には、
そのような構成は、３：１以下の倍率を有する。この場合において目標での光の
ＮＡは、各々が約０．５から０．６のＮＡを有する大きい単一プラスチックファ
イバまたはファイバ束などの径の大きい目標に結合されるには、単一性について
、なおも大きすぎる。楕円集光リフレクタを組込む先行技術のシステムにおいて
は、リフレクタは端が切られ、図３のリフレクタの厚くされた部分３ａを含まな
い。高ＮＡ部から集められた光は、ＮＡが高すぎ、典型的には約０．６またはそ
れより小さいＮＡを有する典型的なファイバ目標に結合しないので、先行技術の
システムにおける厚くされた部分からの光は使用不可能である。この発明のこの
実施例では、光ガイド８などの先細のクラッディングされたロッドまたは先細の
溶着された束での、高ＮＡ光のより低いＮＡへの変形は、より高いＮＡからより
低いＮＡに変形されるさらなる光束が、光ファイバ目標に結合されることを可能
とする。やはり、先細の光ガイドの入力径は、そのような構成について、源のア
ークギャップより大きく、典型的には少なくとも３倍より大きくなければならな
いであろう。
【００４３】 実施例４ 目標を通る光伝送は、先細の光ガイドの出力開口数が光ファイバ出力装置の開
口数より小さいならば、最適化される。出力光ファイバのＮＡは、関係（１）に
よって先細の光ガイドの入力ＮＡに関連付けられ、先細の光ガイドの入力ＮＡは
、典型的には、集光および作像システムのものに等しいかまたはそれより小さい
。先細の光学変形装置の長さは、装置の入力ＮＡと出力ＮＡの比、および、溶着
された束またはクラッディングされたロッドが先細にされるか、によって決定さ
れる。いずれの場合でも、先細の光ガイドの入力ＮＡは、目標での最大集光効率
のために、目標スポットでの１次コレクタシステムのＮＡに少なくとも等しくな
ければならない。
【００４４】 たとえば、５インチの長さの先細のクラッディングされたロッドが光ガイドと
して使用される。先細のクラッディングされたロッドは、約２．５ｍｍの入力径
と約４ｍｍの出力径とを有する。このロッドは、（例１に記載されるような１次
集光システムからなどの）約０．７の入力ＮＡを備える光を約０．４５の出力Ｎ
Ａに変形する。この出力光は、０．５のＮＡおよび５ｍｍの径を有する出力光フ
ァイバ束に効率的に結合する。テーパしていないクラッディングされたロッドと
比較すると、出力ファイバ束の出力の増大は、約１５％であり、反射防止コーテ
ィングでテーパの入力端および出力端を誘電性に被覆することによりさらに増大
可能である。
【００４５】 実施例５ 別の実施例では、約６ｍｍの入力端径と約１０ｍｍの出力端径とを有する先細
の溶着された束を用いて、小さいアークランプからの光を、約１２ｍｍの径の大
きい光ファイバコアに結合する。テーパなしの溶着された束と比べて、光ファイ
バコアからの出力は、２２％分だけ増大する。
【００４６】 この発明はこのように記載されたが、当業者には、この発明の実施例がこの発
明の精神および範囲から逸脱することなしに多くの態様で変形および修正され得
ることが明らかとなるであろう。したがって、そのような変形のいずれかおよび
すべてが、前掲の特許請求の範囲内に含まれるものと意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 軸外れトロイダル凹状リフレクタを１次コレクタとして用いるこ
の発明の一実施例の概略図である。
【図２】 軸外れ楕円凹状リフレクタを１次コレクタとして用いるこの発明
の一実施例の概略図である。
【図３】 軸上拡張楕円凹状リフレクタを１次コレクタとして用いるこの発
明の一実施例の概略図である。
【図４】 負レンズが光ガイドとして用いられているのを示すこの発明の一
実施例の概略図である。
【図５】 パラボラ凹状リフレクタおよび合焦レンズを用いる先行技術の集
光システムの概略図である。
【図６】 楕円凹状リフレクタを用いる先行技術の集光システムの概略図で
ある。
【図７】 光源および目標が軸外れ関係にある状態でトロイダル凹状リフレ
クタを用いる先行技術の集光システムの概略図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ， ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，Ｃ Ｒ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ， ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ， ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，Ｓ Ｋ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ブレナー，ダグラス・エム アメリカ合衆国、90024 カリフォルニア 州、ロス・アンジェルス、マルコム・アベ ニュ、733 (72)発明者 チェン，チンファ アメリカ合衆国、91765 カリフォルニア 州、ダイアモンド・バー、サミットリッ ジ・ドライブ、1156 Ｆターム(参考） 2H037 AA02 BA07 CA00 CA06 CA16

Claims (35)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光ファイバ装置への光の結合を増大させるためのシステムで
    あって、 アークギャップサイズＳを備えるランプを有しかつ有効開口数ＮＡ0を有する
    光供給電磁集光システムと、 前記集光システムからの光を受取るための入力端と光ガイドから光を出力する
    ための出力端とを有する光ガイドまたは負レンズである光ファイバ光ガイド部材
    とを含み、光ガイドの前記入力端は、入力開口数ＮＡ1および入力径ｄ1を有し、
    光ガイドの前記出力端は、出力開口数ＮＡ2および出力径ｄ2を有し、前記ＮＡ1
    は前記ＮＡ0より小さいかまたはそれに等しく、前記ＮＡ2は前記ＮＡ1より小さ
    く、前記Ｓは前記ｄ1より小さく、前記ｄ1は前記ｄ2より小さく、さらに、 光ガイドの出力端から光を受け光を出力するための光ファイバ出力装置を含み
    、前記出力装置は、径ｄ3および開口数ＮＡ3を有し、前記ＮＡ3は前記ＮＡ2より
    大きいかまたはそれに等しく、前記ｄ3は前記ｄ2より大きいかまたはそれに等し
    い、システム。
  2. 【請求項２】 前記光ファイバ光ガイドは、先細のクラッディングされたロ
    ッドを含む、請求項１に記載のシステム。
  3. 【請求項３】 前記光ファイバ光ガイドは、先細の溶着された光ファイバ束
    を含む、請求項１に記載のシステム。
  4. 【請求項４】 前記光ガイドは、反射内表面を有する中空管を含む、請求項
    １に記載のシステム。
  5. 【請求項５】 前記中空管は、複合パラボラコンセントレータを含む、請求
    項５に記載のシステム。
  6. 【請求項６】 前記光ファイバ光ガイド部材は、負レンズである、請求項１
    に記載のシステム。
  7. 【請求項７】 前記システムは、光ガイドから出力装置に光を伝送するため
    に、前記負レンズと前記出力装置との間に介在させた円筒形のクラッディングさ
    れたロッドまたは溶着された束をさらに含む、請求項６に記載のシステム。
  8. 【請求項８】 前記システムは、光ガイドから出力装置に光を伝送するため
    に、前記光ガイドと前記出力装置との間に介在させた溶着された光ファイバ束を
    さらに含む、請求項１に記載のシステム。
  9. 【請求項９】 前記電磁集光システムは、少なくとも１つの球面凹状リフレ
    クタを含む、請求項１に記載のシステム。
  10. 【請求項１０】 前記電磁集光システムは、少なくとも１つのトロイダル凹
    状リフレクタを含む、請求項１に記載のシステム。
  11. 【請求項１１】 前記電磁集光システムは、楕円凹状リフレクタを含む、請
    求項１に記載のシステム。
  12. 【請求項１２】 前記電磁集光システムは、リトロリフレクタを含む、請求
    項１に記載のシステム。
  13. 【請求項１３】 前記光ファイバ出力装置は光ファイバを含む、請求項１に
    記載のシステム。
  14. 【請求項１４】 前記光ファイバ出力装置は複数個の光ファイバを含む、請
    求項１に記載のシステム。
  15. 【請求項１５】 前記光ファイバ出力装置は、前記複数個の光ファイバの溶
    着された束を含む、請求項１４に記載のシステム。
  16. 【請求項１６】 光ファイバ装置への光の結合を増大させるためのシステム
    であって、 電磁放射源を含み、前記源は、径Ｓの出力スポットを有しかつ開口数ＮＡ0を
    有する放射を与え、さらに、 径ｄ3および開口数ＮＡ3を有する光を伝送するための光ファイバ出力装置と、 開口数を減少させ、放射源からの放射の出力スポットを増大させ、放射を光フ
    ァイバ出力装置に向けるための光学変形装置とを含み、前記変形装置は、入力開
    口数ＮＡ1、入力径ｄ1、出力開口数ＮＡ2および出力径ｄ2を有する装置または負
    レンズであり、前記ＮＡ1は前記ＮＡ0よりも小さいかまたはそれに等しく、前記
    ＮＡ2は前記ＮＡ1より小さく、前記Ｓは前記ｄ1より小さく、前記ｄ1は前記ｄ2
    より小さく、前記ＮＡ3は前記ＮＡ2より大きいかまたはそれに等しく、前記ｄ3
    は前記ｄ2より大きいかまたはそれに等しい、システム。
  17. 【請求項１７】 前記光学変形装置は、先細のクラッディングされたロッド
    を含む、請求項１６に記載のシステム。
  18. 【請求項１８】 前記光学変形装置は、先細の溶着された光ファイバ束を含
    む、請求項１６に記載のシステム。
  19. 【請求項１９】 前記光学変形装置は、反射内表面を有する中空管を含む、
    請求項１６に記載のシステム。
  20. 【請求項２０】 前記中空管は、複合パラボラコンセントレータを含む、請
    求項１９に記載のシステム。
  21. 【請求項２１】 前記変形装置は負レンズである、請求項１６に記載のシス
    テム。
  22. 【請求項２２】 前記システムは、変形装置から出力装置に光を伝送するた
    めに、前記光学変形装置と前記出力装置との間に介在させた円筒形のクラッディ
    ングされたロッドをさらに含む、請求項１６に記載のシステム。
  23. 【請求項２３】 前記システムは、変形装置から出力装置に光を伝送するた
    めに、前記光学変形装置と前記出力装置との間に介在させた溶着された光ファイ
    バ束をさらに含む、請求項１６に記載のシステム。
  24. 【請求項２４】 前記電磁放射源は、球面凹状リフレクタおよびアークラン
    プをさらに含む、請求項１６に記載のシステム。
  25. 【請求項２５】 前記電磁放射源は、トロイダル凹状リフレクタおよびアー
    クランプを含む、請求項１６に記載のシステム。
  26. 【請求項２６】 前記電磁放射源は、楕円凹状リフレクタおよびアークラン
    プを含む、請求項１６に記載のシステム。
  27. 【請求項２７】 前記電磁放射源は、１次リフレクタおよびリトロリフレク
    タを含む、請求項１６に記載のシステム。
  28. 【請求項２８】 前記光ファイバ出力装置は、光ファイバを含む、請求項１
    ６に記載のシステム。
  29. 【請求項２９】 前記光ファイバ出力装置は、複数個の光ファイバを含む、
    請求項１６に記載のシステム。
  30. 【請求項３０】 前記光ファイバ出力装置は、前記複数個の光ファイバの溶
    着された束を含む、請求項２９に記載のシステム。
  31. 【請求項３１】 前記光ガイドは、中実の複合パラボラコンセントレータを
    含む、請求項１に記載のシステム。
  32. 【請求項３２】 前記光供給システムは、キセノンランプ、水銀ランプ、水
    銀キセノンランプおよびハロゲン化金属ランプからなるグループから選択される
    ランプを含む、請求項１に記載のシステム。
  33. 【請求項３３】 前記電磁集光システムは、前記光ガイド部材の前記入力で
    前記アークギャップサイズＳの約１：１の像を発生する、請求項１に記載のシス
    テム。
  34. 【請求項３４】 前記光学変形装置は、中実の複合パラボラコンセントレー
    タを含む、請求項１６に記載のシステム。
  35. 【請求項３５】 前記電磁放射源は、約１：１の光作像システムをさらに含
    む、請求項１６に記載のシステム。
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