JP3153890B2 - 凹面のトロイダル反射鏡を使用して集束及び収集する光学システム - Google Patents

凹面のトロイダル反射鏡を使用して集束及び収集する光学システム

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JP3153890B2 JP50542494A JP50542494A JP3153890B2 JP 3153890 B2 JP3153890 B2 JP 3153890B2 JP 50542494 A JP50542494 A JP 50542494A JP 50542494 A JP50542494 A JP 50542494A JP 3153890 B2 JP3153890 B2 JP 3153890B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明の分野 本発明は、電磁放射線を収集及び集光するシステム、
特に、光ファイバのような小さいターゲットに高放射輝
度を供給するシステムに関する。
発明の背景 従来の電磁放射線のための収集及び集光設計は、点光
源によって近似される放射源からの最大光量を収集及び
集光することを重要視している。放射線が従来のコヒー
レントでない放射線源から生じるとき、従来の設計（す
なわち、最大光量の収集及び再指向）が放射光束を最小
可能スポットサイズへ集光する目的と本来相いれないた
め、これらの設計に基づいて小さいスポットを生じさせ
ることは、放射光束を減少させる結果になる。したがっ
て、小さいスポットサイズの像は、対応する光束密度が
減少して得られる。
放射線を収集及び集光するために共通に使用されてい
る２つの基本光学設計がある。第１は、図１に示される
ような集光レンズである。集光レンズは、色収差及び球
面収差の形成、比較的高価、本来困難なアライメント及
び大きな空間を含む幾つかの問題点を有している。図２
に示されるようなだ円反射鏡もまた、従来システムで使
用される。これらの問題点もまた、高価及び避けられな
い像の拡大（すなわち、光束密度の減少）を含む。これ
らのシステムの両方とも、前述のように光束密度を犠牲
にして点光源から最大光束量の再指向を重要視する傾向
がある。
その実施例が、参照することによってここに組み込ま
れている米国特許第4,757,431号は、小さいターゲット
を照らす最大光束及び小さいターゲットによる収集可能
な光束密度量を増大する軸外れ球面の凹面反射鏡を使用
する改良された集光及び収集システムを記載している。
この特許に記載されている軸外れ球面の凹面反射鏡は、
ある欠点、すなわち、軸外れ変位の方向に平行な非点収
差及びこの距離を最小にするための要求に固有の物理的
制約を有する。非点収差の結果は、このシステムの集光
効率を減少し、それによってターゲットに収集された光
束を減少することにある。光源とターゲット間の軸外れ
距離を最小にする（すなわち、非点収差ひずみを最小に
する）要求は、前述の実施例の光源及びターゲットの物
理的寸法に制約を強いる。変形可能な球面の凹面反射鏡
の使用の教義は、２つの直角を成す不均一な曲率を有す
るトロイダル反射鏡の使用に役立たない。
発明の要約 本発明は、米国特許第4,757,431号に開示されたシス
テムの改良したところを３つの方法で示している。すな
わち、（ｉ）それは、小さいターゲットへ電磁放射線の
点のような光源によって放出される放射線の集光及び収
集を増大する。（ii）それは、小さいターゲットへの収
集可能な光束を増加する。（iii）それは、特に好まし
い実施例の実用システムへの転化では、米国特許第4,75
7,431号で記載されるようなどんな“軸外れ光学システ
ム”に対しても電磁放射線と小さいターゲット間の収集
及び結合効率を改良する。
これら及び他の目的を達成するために、本発明は、主
要な光学構成要素として２つの直交軸に沿って異なる曲
率半径を有する凹面の反射面（すなわち、トロイダル反
射鏡）、電磁放射線源及びターゲット（すなわち、光フ
ァイバ）を使用する。電磁放射線源及びターゲットは、
凹面のトロイダル反射鏡（“軸外れ反射鏡”）の光軸の
反対側に同様な距離で置かれている。ターゲットに最大
光束密度を集光するために、好ましくはトロイダル設計
又はその代わりに球面設計のリトロレフレクターが、ト
ロイダル反射鏡上の電磁放射線源から、かつこの電磁放
射線源を通って後部に再反射及び再集光するために電磁
放射線源の後部に置かれている。軸外れトロイダル反射
鏡と共にリトロレフレクターは、ターゲットに集光され
た放射線の収集可能な光束密度を最大にするシステムと
しての役割を果たす。このシステムは、２つの方法でタ
ーゲットに収集可能な放射線を実質的に改良する。すな
わち、（ｉ）反射鏡のトロイダル設計は、軸外れ幾何学
的形状及びアークランプのような典型的な電磁放射線源
のガラスエンベロープの両者によって引き起こされる非
点収差を実質上補正する。（ii）リトロレフレクターは
放射線源の有効輝度を増加する。このシステムの最大光
効率は、反射鏡及びターゲットを光学的に合致させるこ
とによって得られるが、一方、ターゲットにおける最大
光束密度及び特にターゲットとして光ファイバによって
収集可能な最大光束密度は、システム効率を最大にする
こと及び放射線源、反射鏡及びターゲットを光学的に合
致させることの両者によって得られる。従来技術は、だ
円反射鏡の“軸上”又は変形可能な球面の凹面反射鏡の
“軸外れ”の使用を教示しているが、実際、非球面鏡の
使用は高価である。本システムの重要な利点は、ターゲ
ットに光を集光するためにターゲットでの収集可能な光
束密度が鏡の表面品質に影響を受けない安価な非球面
鏡、すなわち、トロイダルの使用である。
図面の簡単な説明 図１は、従来の集光レンズの概略図である。
図２は、従来のだ円レンズシステムの概略図である。
図3aは、球面反射鏡を使用する従来のシステムのｙ−
ｚ面の概略図である。
図3bは、球面反射鏡を使用する従来のシステムのｘ−
ｚ面の概略図である。
図4aは、本発明のｘ−ｚ面の概略図である。
図4bは、本発明のｙ−ｚ面の概略図である。
図５は、本発明の実施例の座標システムである。
図6aは、ターゲットでの放射線の集光及び収集を最大
にするために凹面の球面反射鏡のために最適な像位置を
示す光線図である。
図6bは、ターゲットでの放射線の集光及び収集を最大
にするために凹面のトロイダル反射鏡のための最適な像
位置を示す光線図である。光収差を補償するために２つ
の曲率半径を有することの結果は、理論的意味で最小の
錯乱円の中へI1及びI2をほとんど一つにまとめられるこ
とに注目。実用的な意味では、I1及びI2は、最小の錯乱
円にあり（図6aを参照）、最小の錯乱円における像のサ
イズは、トロイダル設計が最適化される程度に依存する
放射線源のサイズよりも大きい。
図7aは、２つの軸外れ及び２つの二次リトロレフレク
ターを含むように拡大された図3aの光学的構成の概略図
である。
図7bは、放射線源に依存する不均一な（トロイダル）
又は均一な（球面）直交面に２つの曲率半径を有する単
一のほとんど半球形反射鏡に図5aの２つの二次リトロレ
フレクターを削減する。
図８は、反射鏡及び放射線源が一つの内蔵ユニットと
して組み立てられ、かつ実質的に製造される光学的構造
の概略図である。
図９は、４つの軸外れトロイダル反射鏡によって電磁
放射線源に結合された４つのターゲットを含んでいる本
発明の拡張である。
本発明の詳細な説明 下記の説明では、説明するためであって限定するため
でない、本発明の完全な理解を与えるために特定の番
号、寸法、光学構成要素等のような特定の詳細が記載さ
れている。しかしながら、本発明は、これらの特定の詳
細から逸脱する他の実施例で実施されることは、当業者
には明らかである。他の例では、周知の装置及び技術の
詳細な説明は、不必要な詳細で本発明の説明を不正確に
しないようにするために省略される。
本発明に従って形成された集光し、収集し、かつ集束
する光学システムは、３つの主要な構成要素（図４）か
らなる。第４の構成要素、すなわち、リトロレフレクタ
ーは任意であるが性能を改善する。
（１）放射線源。電磁放射線の光点源。本発明に関連し
て、点光源は、その角広がりが小さくて光束を４πステ
ラジアンの中に放射する任意の小型の電磁放射線源であ
る。一般にこのような放射線源の直線角サイズはたった
0.1ラジアンである。例えば、典型的な放射線源は、お
よそ50mmの距離で凹面の反射鏡の前部に配置されたおよ
そ1mmのアークギャップを有する電気アークランプであ
る。実際、このような放射線源は拡張された放射線源で
ある。好ましい実施例では、これは、1mm以下のアーク
ギャップを有する小型のキセノンアークランプ及び石英
ランプエンベロープ又は石英ウィンドウを有するセラミ
ック外装体である。しかしながら、ターゲットと同じサ
イズであるか又はターゲットよりも小さいいかなる電磁
放射線源（例えば、ファイバ、フィラメントランプ、ガ
ス放電ランプ、レーザ、LED、半導体等）も使用され
る。ここで、電磁放射線源のサイズは、放射線源の輝度
（角を形成する範囲にわたる光束密度）を特徴付けられ
る強度等高線図の1/e強度によって規定されるほうがよ
り良い。輝度は、アークギャップのサイズに関連づけら
れ、結合効率の理論的制限を決定する。アークランプの
特定の場合に関しては、等高線図は軸対称に近似し、電
気定格、電極設計及び構造、ガス圧、アークギャップサ
イズ及びガス成分の複雑な関数である。非球面の曲がっ
たエンベロープを有するアークランプの特定の場合に関
しては、反射鏡によって結像された放射線源の有効相対
位置及び強度分布は収差を受ける。これは、本質的にレ
ンズとして機能し、補償する光学素子を必要とするエン
ベロープの形状によって引き起こされる。光学補償は、
エンベロープによって引き起こされる非点収差を補償す
るために反射鏡の設計を変更することによってか又は軸
外れ反射鏡（下記を参照）とターゲット間に補正レンズ
を挿入することによってかのいずれかで達成され得る。
さらに、光学被覆が、フレネル反射を最小にし、それに
よってターゲットでの収集可能な放射線を最大にするか
又は放射線光束を制御及び／又はフィルタするためにエ
ンベロープに利用され得る。
（２）反射鏡。この反射鏡（軸外れ）は、ターゲット上
の電磁放射線源からの電磁放射線を反射及び集光する。
その光軸は、それに対して放射線源とターゲットの両方
が軸外れであるシステムのＺ軸を規定する。本発明に関
しては、反射鏡は、放射線源に対して凹面のトロイダル
反射鏡の一部であり、そのために正確な設計及び配置は
放射線源及びターゲットの特性に依存する。これらの特
性は下記の通りである。ターゲットに対しては、（ｉ）
サイズ、（ii）形状、（iii）軸外れ変位（下記を参
照）、及び（iv）光ファイバターゲットに対しては、開
口数、直径、ファイバの横軸と縦軸間の角度として規定
される軸外れ反射鏡に対して隣接する端部の角度、放射
線源に対しては、（ｖ）サイズ及び輝度（vi）有効開口
数（vii）もし存在するならば、放射線源のエンベロー
プ又は外装体によって引き起こされる非点収差。光学被
覆が、反射を増大するか又は放射線光束を制御及び／又
はフィルタするために反射鏡面に利用され得る。付加的
非点収差補正は、レンズ、又は反射鏡と光学被覆又は誘
電性被覆があるか又はないターゲット間に挿入された傾
斜プレートによって達成され得る。
（３）ターゲット。このターゲットは、可能な最高光束
密度の電磁放射線で照らされるか又は昭明される必要が
ある小さい物体である。好ましい実施例では、それは、
ほぼ1mm又はそれよりも小さい直径を有する単一の光フ
ァイバである。光ファイバ、直径及び開口数の特性は、
放射線源と反射鏡からなるシステムの光学特性に合致さ
れねばならない。収集及び透過の効率は、ファイバの入
力端に光学製品を付加することによって増大又は制御さ
れ得る。その代わりに、ターゲットは、単一の光ファイ
バ又は同じ形状又は違った形状、サイズ、材料及び開口
数を有し、かつ対称的か又は非対称的のいずれかに配置
された光ファイバ群であり得る。ファイバの端部は、一
般にファイバの縦軸に垂直に平に研磨される。しかしな
がら、反射鏡に隣接する端部は、（ｉ）アークランプの
ような電磁放射線源の非対称像及び軸外れ幾何学的形状
及びランプエンベロープによって導入された非点収差の
両方を補償するために、（ii）光学収集システムのため
にファイバの相対開口数を変更するために及び（iii）
システムの光軸に対する光ファイバターゲットの隣接端
部の縦軸の相対角を調整するためにある角度で研磨され
得る。
（４）リトロレフレクター。リトロレフレクターは、８
つの放射線源から及びこの放射線源を通って後部に放射
線を反射し、かつ再集光し、元の放射線源上に放射線の
反転された強度分布を置くことによって放射線源の輝度
を有効的に増加する。本発明の好ましい実施例では、リ
トロレフレクターは、放射線源に対するトロイダル反射
鏡凹面の一部である。他の実施例では、リトロレフレク
ターは球面反射鏡の一部である。その正確な設計は、タ
ーゲットのサイズに対して放射線源の形状及びサイズ
（及び光ファイバターゲットの場合の開口数）並びにた
とえあるとしても、放射線源エンベロープによって必要
とされる非球面補正に依存する。さらに、光学被覆が、
反射率を増大するか又は放射線光束を制御、フィルタ、
及び／又は減衰するためにリトロレフレクター面に利用
され得る。
図4a及び4bは、本発明により理想化された集光及び収
集システムを示す。このシステムの光軸Ｏの両側に、各
々がトロイダル反射鏡M1（軸外れ反射鏡）の曲率及び光
軸の中心によって規定された光軸から距離yO変位された
放射線源SO及びターゲットＴがある。（トロイダル反射
鏡の光軸は曲率半径の垂直交差点に対する垂線として規
定される。）また、リトロレフレクターは、その曲率半
径にほぼ等しい距離で放射線源を有する放射線源SOの後
部に配置される。好ましい実施例は、放射する光束密度
の最大集光のためにこのリトロレフレクターを含むけれ
ども、それは、ターゲットで放射線を集光、集束及び収
集することに対して必須でない。
図４に示すように、軸外れ変位yOは、放射線源SO及び
ターゲットＴに対して等しい。本発明の実施に適応する
ことでは、放射線源の軸外れ変位はターゲットの変位と
は異なるかもしれない。後者に関しては、システムの有
効光軸は、放射線源とターゲット間に位置し、反射鏡の
光軸とは異なる。この場合、有効システム光軸の正確な
位置は、ターゲットの開口数及び反射鏡の有効開口数に
依存する。軸外れ反射鏡の光軸がシステムの光軸の正確
な説明でないとき、このシステムの有効光軸は、放射線
源の開口数を反射鏡の有効開口数及びターゲットの有効
開口数に適正に合致させることから決定される。もしタ
ーゲットの受容角内に光を集光及び集束するために実際
使用される反射鏡のその一部が、図４の全開口A1よりも
小さいならば、反射鏡の有効開口数は理論的開口数とは
異なるだろう。ターゲットの開口数が軸外れ反射鏡の開
口数よりも小さいシステムに関しては、反射鏡の有効開
口数はその理論的開口数よりも小さい。
図4a及び図4bに示されるシステムの幾何学的形状は、
ここで比較のために示されている米国特許第4,757,431
号、図3a及び図3bに開示されている幾何学的形状と全く
同様であることが観察されるだろう。その特許で説明さ
れているように、球面反射鏡の使用は、軸外れ反射鏡の
曲率半径（ｒ）によって割られた軸外れ距離の平方（yO
2）は放射線源（SO）の範囲よりも小さいべきであると
いう制約を強いる。後述されるように、この制約は本発
明の拡張によって軽減される。
上記で引用した特許は、（ｉ）球面凹面鏡に対して放
射線源は、鏡の曲率半径に等しいｚ軸に沿っての距離及
び（yO2）/r＜SOのように軸外れの距離yOで配置される
べきであること、（ii）したがって、ターゲットに対す
る最適な位置は最小の錯乱円として規定される像点であ
ること、を教示しているのに対して、他の分析は、この
位置にターゲットを位置決めすることは、米国特許第4,
757,431号で規定されているように必ずしも最適でない
ことを明かにする。その正確な位置は、反射鏡の放射線
源の特性及び／又はターゲットと放射線源間に配置され
た透過レンズの特性に依存する。それはまた、ターゲッ
トに依存し、特に、光ファイバに関しては、その形状、
サイズ、開口数（NA）及び軸外れ反射鏡に対して隣接し
た端部における光軸に対する断面角に依存する。したが
って、本発明は、ターゲットにおける放射光束の集束及
び収集を増加及び増大する光学システムである。それは
またターゲットの照度を増加及び増大する。ターゲット
としてのマルチ光ファイバの場合、ファイバは、透過さ
れた放射光束を無作為に選択し、かつスクランブルし、
それによって光収差及び光メモリを除去する活性素子と
しての役割を果たす。図５は、本発明の一つの実施例の
座標システムをさらにまた示す。
本発明の光学システムは、放射線源、ターゲット及び
光学構成要素の多くの変形によって組み立てられ得るた
め、所与のターゲットに対する最大収集可能光束の位置
は、システムの構成要素の特定セットに対する最大光束
密度の位置として規定され、かつ最大全光束密度、全光
束又は像点（最小錯乱円）の位置と一致するかもしれな
いし、一致しないかもしれない。像点に配置されたター
ゲットに対して、本発明は、従来技術で達成可能である
ものと比較される増加された放射光束密度の光結像シス
テムを提供する。それにもかかわらず、このシステム
は、最大の理論的収集効率を与えるように最適化されな
い。本発明のターゲットの配置のための最適位置は、タ
ーゲットの特性に依存し、下記のように分類され得る。
ケース1:同様なサイズであるか又は放射線源のサイズよ
りも大きい像点（最小錯乱円）に配置されたターゲット
に関して、このシステムは約１の倍率を有する。この場
合、光ファイバのターゲットが軸外れ鏡の開口数に等し
いか又はそれよりも大きい開口数を有するならば、この
システムは一般に最適化される。
ケース2:放射線源よりも小さいターゲット又はケース１
の軸外れ鏡の開口数よりも小さい開口数を有する光ファ
イバのターゲットに関しては、所与の放射線源及びケー
ス１とは異なるターゲットで収集可能な光束密度を最適
化するターゲットに特有なトロイドが存在する。したが
って、ケース２で記載されたターゲットに関しては、所
与の放射線源に対して対応する最適化されたトロイドが
ある。特に最適化された軸外れトロイダル反射鏡を有す
る合致されないサイズの放射線源及びターゲットのこれ
らのシステムは、ケース１の場合のように１におよそ等
しい倍率で結像し、ターゲットは像点に配置される。
ケース3:所与の放射線源及び指定された特性（例えば、
直径、形状、ケース１及びケース２で記載されたような
光ファイバのための開口数）のターゲットに対して最適
化されたトロイダル反射鏡を含む実用的システムに関し
ては、最適化されたターゲットのサイズ又は開口数以外
のサイズ又は開口数を有するターゲットによって最適化
されたこのようなシステムの使用は、放射線源に対する
ターゲット及び反射鏡の異なる位置決めを必要とするか
もしれない。ケース３では、トロイダル反射鏡が、ター
ゲットの受容角内で最大光束密度を集束する反射鏡面の
その部分の位置決めを最適化するために、一般にｚ軸に
沿って移動させ、かつある距離で放射線源に対して位置
決めされねばならない点で、このシステムは単位倍率か
ら逸脱している。ケース１及びケース２に関して、ター
ゲットの位置は実用的に異なるかもしれないし、反射鏡
の有効開口数はターゲットの開口数に合致される。この
システムの有効光軸はまた、図４の理想化された幾何学
的配置と異なる。
ケース３で特徴付けられたシステムでは、放射線源の
特性に依存する所与のターゲットに対して同様な収集可
能な光束密度を有する点の軌跡が存在するかもしれな
い。アーク源及び他の同様な拡張された発生源に関し
て、光ファイバのターゲットによって収集可能な強度等
高線のその部分は、ターゲットサイズ及びターゲット及
び軸外れ鏡の両方の開口数によって変えられる。したが
って、ターゲットで実際結像されるか又は収集される放
射線源のその部分は変化する。小さいターゲットに関し
て、このターゲットで同一の収集可能な光束密度を発生
する強度等高線の一部よりも多く存在するかもしれない
し、同様な収集可能な光束密度を達成するように点の軌
跡に配置することが可能である。したがって、ケース３
に関しては、このシステムは、ターゲットで発生源から
の像光束密度よりもむしろ集束すると言われている。そ
れに関して同様な光束密度の点の軌跡が所与のターゲッ
トに対して存在するこの場合では、ターゲットのサイズ
は常に発生源のサイズよりも小さく、この発生源は、そ
の公称サイズにわたって変化する強度等高線を有するだ
ろう。
本発明及び米国特許第4,757,431号では、焦点におけ
る放射線源の放射光束の低下、ターゲットの像点又は位
置は、軸外れ幾何学的配置によってｙ方向に発生された
非点収差によって主に引き起こされる。第２に、アーク
ランプのようなガラスエンベロープを含む放射線源に関
して、非点収差は、ガラスエンベロープそのものの非球
面形状によって引き起こされる。米国特許第4,757,431
号では、球面反射鏡の欠点は、ｙ−ｚ面上への放射線の
投影は、ｘ−ｚ面への放射線の投影を集束するよりも近
接して反射鏡に集束することにある。本発明は、ｙ軸に
沿ってそのより長い曲率半径及びｘ軸に沿ってより短い
曲率半径を有するトロイダル面の取り替えでこの特許の
教義を改良する。半径差は、ｙ−ｚ面の放射線の集束を
ｘ−ｚ面のそれに一致するように再位置決めされるよう
にさせる。この取り替えは、全システムの非点収差を減
少することによって焦点のサイズを減少し、それによっ
て光学システムの集束力の増加及びターゲットにおける
収集可能な放射光束の増大の両方を行う。最小錯乱円に
配置されているターゲットの特定の場合、トロイダル反
射鏡は像のサイズを実質上減少させる。例えば、公称1m
mのアークギャップを有するキセノンアークランプか
ら、それぞれが同一のNA及び有効半径を有する球面反射
鏡及びトロイダル反射鏡から1mmの直径の光ファイバに
よって収集される最大達成可能な光束の比較は、トロイ
ダル反射鏡が40％よりも大きいだけ最大収集可能な光束
を増加することができることを示した。
球面反射鏡に対するトロイダル反射鏡の他の利点は、
非理想点源（例えば、球面ガラスエンベロープを有する
拡張された発生源）が使用されるとき、軸外れ幾何学的
配置における収差を減少及び補償する際の適応性であ
る。ｚ軸の周りにトロイダル反射鏡を回転させることに
よって、これらの収差のいかなるものをも補償し、それ
によって光学的システムの構成要素の許容範囲を製造す
る際の実際の変動に対して調整することができる。この
回転は、ｘ−ｚ面及びｙ−ｚ面に沿って曲率半径によっ
て規定される有効焦点を調整し、それによって最大限ま
で放射線光束密度を集束する。したがって、トロイダル
反射鏡の回転は、このシステムの特定の収差を補償する
ために曲率半径を調整することによってターゲットにお
ける光束密度を最適化する。
上記で引用された特許に対する本発明の実際の改良
は、変化するサイズのターゲットに対するターゲットで
光束密度を最適化する適応性である。放射線源と同様な
寸法のより大きいターゲットが米国特許第4,757,431号
で規定されるように最小錯乱円に又はその近くに最大光
束のために位置決めされるのに対して、より小さいター
ゲットは、そのように位置決めされないかもしれない。
光ファイバターゲットで最大エネルギーを集束するため
に使用されるトロイダル反射鏡（r1x＝50mm、r1y＝51.9
mm）の特定の場合、ファイバの位置の実質的差は、ファ
イバ直径及びNAによって生じる。ファイバの直径（1m
m）が放射線源のサイズと同様なサイズであり、そのNA
が反射鏡のNAに合致するとき、このファイバは、米国特
許第4,757,431号の教義によって規定されるように最小
錯乱円の近くに位置するのに対して、NAは実質的により
小さいとき、最大収集可能な光束密度に対してその位置
は、0.5mmだけ変えることができる。それぞれが放射線
源のサイズと同様な直径を有するがおよそ２の因数だけ
開口数で異なる２つのファイバに関して、最大輝度の像
点は、反射鏡のNA及び放射線源の輝度の両方に対してタ
ーゲットにおける開口数を最適化されねばならない光束
密度の角密度に依存するため、それに対して光束密度が
最大化されるそれぞれの位置が1.5mmだけ異なる。ファ
イバのサイズ又は放射線源のサイズに対する位置での＜
50μｍ小さい差は、ターゲットを通って透過される収集
可能な光束で測定可能な差を形成しないけれども、より
大きい位置ずれは、はっきりと測定可能な衝撃を有す
る。所与のターゲットに対する最大収集可能な光束密度
の位置を見つけることは、軸外れトロイダル鏡の調整を
必要とする。したがって、合致されない光学システム、
ターゲット及び反射鏡に対して、ターゲットの位置決め
は、所与の放射線源に対して合致された光学システムの
位置決めとは異なる。
米国特許第4,757,431号は、収集及び集光システムがN
Aに依存しないことを教示している。本軸外れ収集シス
テムは、光ファイバのターゲットのNA及び軸外れ反射鏡
が最大収集可能な光束密度を達成するように合致又は最
適化されるべきであることを必要とする。合致されない
システムに関して、反射鏡は、ファイバターゲットによ
って最大収集可能な光束を達成するためにターゲットの
NAよりも大きいNAを有しなければならない。放射線放出
源に対して、高いNAのターゲット及び反射鏡は、ターゲ
ットにおける最大光束密度の集束を生じる最大光収集効
率になる。最適化されたシステムは、放射線源の特性を
軸外れ反射鏡及びターゲットの両方の特性に合致させる
ことを必要とする。これは、放射線源としてのアークラ
ンプ又はガス放電ランプに関して、輝度、すなわち、放
射線源の角範囲にわたる強度等高線をシステムの光学特
性に合致させることを必要とする。軸外れ反射鏡及びタ
ーゲットを示すいかなる所与の特性のセットに関して
も、ターゲットに最大限に結合させることができる最高
の輝度源を生じる最適アークサイズ及び有効NAがある。
図４に示された本発明の理想化された実施例では、放
射線源（SO）及びターゲットは、トロイダル反射鏡M1の
光軸すなわちシステムの光軸として規定された光軸の両
側に等距離の焦点に置かれる。ｙ−ｚ面は、放射線源、
ターゲット及び光軸を含むと言われている。放射線源
（図５）のようにアークランプの特定の場合、ｘ軸はア
ークギャップの電極によって規定された放射線源の縦軸
に平行であると言われている。光軸を含んでいるｙ−ｚ
面は、アーク及び光ファイバターゲットを含んでいる面
と一致するかもしれないし、一致しないかもしれない。
ときどき、それは、βπＯ又はｇπＯのいずれか又は両
方、アーク、反射鏡、任意の透過レンズ及び光ファイバ
の特性に依存する正確な値を有することが望ましいかも
しれない。実際、収集可能な光束及びシステム効率は、
アークランプ源及びファイバ特性の光学的合致を達成す
るか又はターゲットをｙ−ｚ面の上又は下に置くために
光軸面をβ＊５゜及び／又はｇ＊５゜傾斜させることに
よって５〜10％だけ増加される。
実施するために本発明のよりほとんど理想的な変形
は、放射線源を含んでいるのと同一の外装体に軸外れ鏡
及びリトロレフレクターの両方を収容する電気アークラ
ンプのような放射線源の構造を必要とする。光ファイバ
のターゲットは、外装体の内部又は外部のいずれかに配
置されなければならない。それが内部であるとき、ファ
イバは、放射線源、軸外れ鏡及びリトロレフレクターの
完全に封入されたアセンブリの一部として永久に取り付
けられている。それが外部であるとき、光ファイバのタ
ーゲット（図８）の最適位置の近くに配置されたウィン
ドウ又は光ファイバ結合機構のいずれかが、光ファイバ
のターゲットに放射線源の焦点を合わされた像を結合す
るために使用される。このような８つの装置の性能は、
軸外れ鏡がトロイダルか球面かどうか及びこの構造が軸
外れを変位される限度に依存する。軸外れ変位が最小に
される場合に関して、球面及びトロイダルの反射鏡は同
じである。この構造は、短いアークギャップランプに関
連される非球面ガラスエンベロープに固有である収差を
除去する。したがって、球面の軸上リトロレフレクター
は、トロイダル設計と同様に実行する。セラミック外装
体及びウィンドウを有する建造されたアークランプのよ
うに非球面ガラスエンベロープなしで建造されたアーク
ランプは、エンベロープで誘導される収差を回避及び単
一の外装体で放射線源及びレンズを封入しないで理想的
条件近くでシミュレートすることができる。
米国特許第4,757,431号は、球面反射鏡の使用がyO2/r
＜SOであるという制約を強いることを教示している。こ
の制約は、ターゲットがエンベロープに隣接している最
小軸外れ距離に実際配置されるべきであることを必要と
することによってシステムの物理的設計を制限する。対
比してみると、トロイダルの半径（r1X及びr1y）は、yO
2/rの値に対するこの制約がかなり緩和されるように選
択され得る。これは、放射線源／放射線源エンベロープ
とターゲット間に付加的空間を可能にする。この付加的
空間は、エンベロープによって焦点の可能性のある障害
を除去し、光学構成要素（例えば、フィルタ、補正傾斜
プレート、レンズ等）又は機械構成要素（例えば、シャ
ッタ、絞り等）ターゲットに入射する放射光束密度を減
衰、制御及び／又はフィルタすることを可能にする。上
記で引用された特許の好ましい実施例では、ｒ＝50mm及
びSO＊1mmを有する球面反射鏡で最大収集可能な光束を
得るために、yOは、＊7mmよりも大きくないように制限
される。最大エンベロープ直径は、yO2/r＜SOが最小で
あるという制約及び軸外れ距離が最小であるべきである
という制約の両方と一致している4yOであるので、米国
特許第4,757,431号によって必要とされるランプエンベ
ロープの最大直径は、＊28mmである。実際、これは、エ
ンベロープに隣接している光ファイバを配置する。r1x
＝50mm及びr1y＝51.9mmを有するトロイダル反射鏡を置
き換えすると、1mmの光ファイバに対して最適化された
位置は、yO＝10mmであり、光ファイバのターゲットにお
ける全部の収集されたエネルギーは、米国特許第4,757,
431号によって教示された比較できる50mm直径の球面反
射鏡から達成可能であるよりも40％大きい。したがっ
て、ここで記載した発明及びこの機能に関して、yO2/r
＞SOは、光ファイバのターゲットをエンベロープから離
れて配置されることを可能にする。この改良はまた、よ
り大きい直径を有するランプの使用を容易にする。アー
クランプの直径はその動作ワット数に比例するので、よ
り大きいランプエンベロープは、アークランプがより高
いワット数で作動されることを可能にし、それによって
収集可能な光束を増加する。ここで引用された例に関し
て、40mm直径エンベロープを有するより高いワット数の
ランプが使用され得た。
大抵のアークは対称的でなく、それらのｘ及びｙの寸
法が異なるので、収集された放射線の10％のオーダの改
良は、横断面領域がだ円に似ているようにある角度で円
筒状の光ファイバを研磨することによって実現され得
る。ファイバの隣接する端部の垂直線から光軸に対する
角度を変化することによって、光ファイバの縦軸は、収
集可能な光束密度及びターゲットの照射又は昭明を最大
にするように軸回転又は旋回され得る。
ここで記載した基本的光学構成は、第２の凹面反射鏡
M2（すなわち、リトロレフレクター）を含むように拡大
され得る。このリトロレフレクターは、トロイダル反射
鏡上の放射線源から及びそれを通って後部に光束を反射
及び再集光するために放射線源の後部に置かれる。この
凹面の反射鏡は球面又はトロイダルであるかのいずれか
であり得る。このような凹面のリトロレフレクターを使
用する際の収集可能な光束の改良は、放射線源、放射線
源エンベロープ、軸外れトロイド反射鏡及びターゲット
の特性に依存し、10％から75％まで変動する。リトロレ
フレクターは、収集可能な放射線光束及びシステム効率
の両方を最大限にするシステムを生じるように放射線源
及びそのガラスエンベロープ（もし存在するならば）並
びにトロイダル反射鏡に光学的に合致させられるべきで
ある。トロイダル設計は、非球面エンベロープによって
引き起こされる非点収差の削減を容易にするために、ガ
ラスエンベロープ（外装体）を有する放射線源に対して
優れている。この非点収差の補正は、球面リトロレフレ
クターの一面に20％だけ全部の収集可能な放射線光束の
改良を生じることができる。図８に概略的に示されたよ
うな内蔵システムは、ターゲットに依存する球面又はト
ロイダルリトロレフレクターのいずれかによって最適化
され得た。
ここで記載された光学構成は、複数の軸外れ反射鏡
（上記で引用された米国特許第4,757,431号で検討され
ているような）、複数のリトロレフレクター及び複数の
ターゲットを含むように拡張される。リトロレフレクタ
ーM2のない図４の光学的システムは、４つの軸外れ反射
鏡及び４つのターゲットの全部を収容することができ
た。第２の反射鏡M2を包含していることは、このシステ
ムを図７に示されているように２つの軸外れ反射鏡及び
２つのターゲットに削減する。図８は、図７の反射鏡M2
を単一のほぼ半球面のリトロレフレクターに削減するこ
とを示している。４つの軸外れ反射鏡の場合、各反射鏡
は、a90゜立体角にわたって放射線源からの電磁放射線
を収集する。２つの軸外れ反射鏡の場合、各反射鏡は、
a90゜立体角にわたって放射線源から収集する。一対の
反射鏡M2及びM2′又は図7a及び図7bの単一のリトロレフ
レクターのそれぞれは、a90゜又はa180゜立体角のそれ
ぞれにわたって放射線源を通って後部に光を集光するだ
ろう。図８は、２つの反射鏡及び放射線源が組み立てら
れ、かつおおむね一つの内蔵ユニットとして製造される
図４の光学構成の削減を示している。実際、ウィンドウ
又は光ファイバ取り付けのいずれかを通してターゲット
を集束された光束密度に結合するための手段との軸外れ
及びリトロレフレクターのいかなる結合も、一つの内蔵
ユニットとして製造され得た。軸外れ鏡の数は、４つの
ターゲットよりも大きいことを必要とする応用のために
４を越えて増加され得たけれども、実際、このような光
学システムは、ターゲットにおける収集可能な光束密度
を最大にしないだろう。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ストロブル，カールハインツ アメリカ合衆国 90048 カリフォルニ ア州・ロサンゼルス・サウス サン ヴ ィセンテ ブーレバード・650 (72)発明者 ブレナー，ダグラス アメリカ合衆国 90048 カリフォルニ ア州・ロサンゼルス・サウス サン ヴ ィセンテ ブーレバード・650 (72)発明者 フィッシャー，ロバート アメリカ合衆国 91361 カリフォルニ ア州・ウエストレイク ヴィレッジ・ヒ ルズバリー ロード・2060 (72)発明者 ピッチオーニ，ロバート アメリカ合衆国 91361 カリフォルニ ア州・サウザンドオークス・ケイル ペ コス・1342 (72)発明者 トーマス，マイケル アメリカ合衆国 02146 マサチューセ ッツ州・ブルックライン・コリストン ロード ナンバー３・12 (56)参考文献 特開 昭63−66532（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−72391（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−188612（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−107012（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−65049（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−68801（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−9941（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭50−102344（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭36−3534（ＪＰ，Ｂ１) 米国特許5117312（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02B 17/06

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】出来るだけ小さい領域により多くの放射線
    光束を有する高強度照明源を提供するために電磁放射線
    を集光、集束及び収集するシステムにおいて、 発散性で波長域の広いインコヒーレントな電磁放射線源
    に向かって凹面をなすトロイダルの反射面と光軸を有す
    る主たる電磁放射線反射鏡であって、そのトロイダルの
    反射面が、長さでほぼ４％だけ相互に異なっている２つ
    の曲率半径を有している、主たる電磁放射線反射鏡と、 前記電磁放射線源は、前記反射鏡の曲率中心の近くで、
    前記光軸から第１の距離だけ横方向にずらされた点に置
    かれ、前記反射鏡での反射により、前記電磁放射線源の
    実質的に合焦された像が、前記光軸に関して前記電磁放
    射線源とは反対側で、前記光軸から第２の距離だけ横方
    向にずれた位置に生じるように構成されており、 前記電磁放射線源の実質的に合焦された前記像の近くで
    最大光束を得られる位置に、電磁放射線を収集するよう
    配置されたターゲットと を備えたことを特徴とするシステム。
  2. 【請求項２】さらに、前記放射線源と前記反射鏡との間
    または前記反射鏡と前記ターゲットとの間に配置された
    光学要素であって、前記ターゲットへの前記像の合焦を
    改良する補正レンズ、前記放射線源のスペクトル強度分
    布を制御するよう処理された補正レンズ、前記ターゲッ
    トへと入射する前記電磁放射線を減衰させる減衰光学素
    子、前記ターゲットへと入射する前記電磁放射線をフィ
    ルタするフィルタ光学素子からなるグループから選択さ
    れた光学要素を、備えたことを特徴とする請求項１に記
    載のシステム。
  3. 【請求項３】さらに、前記放射線源と前記反射鏡との間
    または前記反射鏡と前記ターゲットとの間に配置され、
    前記ターゲットへと入射する前記電磁放射線を減衰させ
    る機械的要素を、備えたことを特徴とする請求項１に記
    載のシステム。
  4. 【請求項４】さらに、前記主たる電磁放射線反射鏡から
    見て、前記電磁放射線源の背後に配置されていて、前記
    電磁放射線源から後方へ向かう電磁放射線を、前記電磁
    放射線源の位置に像が形成されるよう反射させる、補助
    的な凹面リトロレフレクターを備えたことを特徴とする
    請求項１に記載のシステム。
  5. 【請求項５】出来るだけ小さい領域により多くの放射線
    光束を有する高強度照明源を提供するために電磁放射線
    を集光、集束及び収集するシステムにおいて、 光軸と、長さでほぼ４％だけ相互に異なっている複数の
    曲率半径を持つトロイダルの反射面とを有していて、高
    光束密度の像点を得るための主たる電磁放射線反射鏡
    と、 発散性で波長域の広いインコヒーレント光の光源であっ
    て、前記反射鏡の前記光軸の近くで、前記光軸から第１
    の距離だけずらされて置かれており、その光源からの光
    が、前記光軸に関して前記光源とは反対側で、前記光軸
    から第２の距離だけ離された像点にて、集光及び集束さ
    せられるよう配設された光源と、 前記反射鏡の前記像点の近くで最大光束を得られる点に
    位置させられた収集端を有する光ファイバターゲットと を備えたことを特徴とするシステム。
  6. 【請求項６】さらに、前記光源と前記反射鏡との間また
    は前記反射鏡と前記ターゲットとの間に配置された光学
    要素であって、前記ターゲットへの前記像の合焦を改良
    する補正レンズ、前記光源のスペクトル強度分布を制御
    するよう処理された補正レンズ、前記ターゲットへと入
    射する前記光を減衰させる減衰光学素子、前記ターゲッ
    トへと入射する前記光をフィルタするフィルタ光学素子
    からなるグループから選択された光学要素を、備えたこ
    とを特徴とする請求項５に記載のシステム。
  7. 【請求項７】さらに、前記主たる電磁放射線反射鏡から
    見て、前記光源の背後に配置されていて、前記光源から
    後方へ向かう光を、前記光源の位置に像が形成されるよ
    う反射させる、補助的な凹面リトロレフレクターを備え
    たことを特徴とする請求項５に記載のシステム。
  8. 【請求項８】さらに、前記光源と前記反射鏡との間また
    は前記反射鏡と前記ターゲットとの間に配置され、前記
    ターゲットへと入射する前記光を減衰させる機械的要素
    を、備えたことを特徴とする請求項５に記載のシステ
    ム。
  9. 【請求項９】出来るだけ小さい領域により多くの放射線
    光束を有する高強度照明源を提供するために電磁放射線
    を集光、集束及び収集するシステムにおいて、 第１の光軸とトロイダルの反射面を有している、第１の
    主たる反射鏡であって、そのトロイダルの反射面が、曲
    率中心と、長さでほぼ４％だけ相互に異なっている２つ
    の曲率半径を有している、第１の主たる反射鏡と、 第２の光軸とトロイダルの反射面を有している、第２の
    主たる反射鏡であって、そのトロイダルの反射面が、曲
    率中心と、長さでほぼ４％だけ相互に異なっている２つ
    の曲率半径を有している、第２の主たる反射鏡と、 発散性で波長域の広いインコヒーレント光の光源であっ
    て、前記第１の光軸と前記第２の光軸とが交差する交差
    点の近くで、その交差点から第１の距離だけずらされて
    置かれており、前記第１の光軸に関して前記光源とは反
    対側で前記第１の光軸から第２の距離だけ離された第１
    の像点において、および、前記第２の光軸に関して前記
    光源とは反対側で前記第２の光軸から同じく第２の距離
    だけ離された第２の像点において、前記光源からの光が
    集光及び集束させられるよう配設された光源と、 前記第１の像点の近くで最大光束を得られる点に位置さ
    せられた収集端を有する第１の光ファイバターゲット
    と、 前記第２の像点の近くで最大光束を得られる点に位置さ
    せられた収集端を有する第２の光ファイバターゲットと を備えたことを特徴とするシステム。
  10. 【請求項１０】さらに、前記第１および第２の主たる反
    射鏡それぞれから見て、前記光源の背後に配置されてい
    る第１および第２の補助的な凹面リトロレフレクターで
    あって、それぞれが、前記光源から後方へ向かう光を、
    前記光源の位置に像が形成されるよう反射させるよう構
    成されている、第１および第２の補助的な凹面リトロレ
    フレクターを備えたことを特徴とする請求項９に記載の
    システム。
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