KR101324807B1 - 최적화된 배율을 갖는 이중 포물면 반사기 및 이중 타원면반사기 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 집광 및 수집 광학 시스템은 두 개의 비대칭 반사기를 포함한다. 제1 및 제2 반사기는 평행한 광축을 갖는 회전 타원면 또는 회전 포물면의 일부를 포함한다. 전자기 방사원은 제2 반사기에 의해 수광되는 방사를 생성하기 위해 제1 반사기의 초점 중 하나에 위치되며, 제2 반사기는 타깃 쪽으로 방사를 집속시킨다. 최대 출력 커플링 효율을 달성하기 위해, 제2 반사기는 타깃에 입력된 방사가 더욱 낮은 입사각을 갖도록 제1 반사기와는 상이한 초점 거리를 갖는다.

전자기 방사, 축상 반사기, 비축상 반사기, 타원면 반사기, 포물면 반사기, 역반사기, 비대칭

Description

최적화된 배율을 갖는 이중 포물면 반사기 및 이중 타원면 반사기 시스템 {DUAL PARABOLOID REFLECTOR AND DUAL ELLIPSOID REFLECTOR SYSTEMS WITH OPTIMIZED MAGNIFICATION}

관련 출원

본 출원은 2005년 6월 30일자로 출원된 미국 가출원 번호 제60/695,934호의 우선권을 주장하며, 2000년 3월 27일자로 출원된 미국 가출원 번호 제60/192,321호의 우선권을 주장하는 2000년 9월 27일자로 출원된 미국 출원 번호 제09/669,841호(현재, 미국 특허 제6,634,759호)의 계속 출원인 2003년 9월 12일자로 출원된 미국 출원 번호 제10/660,492호의 계속 출원인 2005년 11월 14일자로 출원된 미국 출원 번호 제11/274,241호의 일부 계속 출원이고, 상기 각 출원들은 전체 내용이 본 명세서 내에 참고로 포함된다.

본 발명은 전자기 방사를 수집(collecting) 및 집광(condensing)시키는 시스템에 관한 것이며, 특히 방사원(radiation source)으로부터 방출된 방사를 수집하고 수집된 방사를 타깃 상에 집속(focusing)시키는 비대칭 포물면 반사기를 포함하는 시스템에 관한 것이다.

단일 섬유 또는 섬유 다발과 같은 도파관 내로 전자기 방사를 또는 프로젝 터(projector)의 균질화기(homogenizer)로의 출력을 수집하고, 집광하며 커플링 시키는 시스템에 대한 기능적인 목적은 타깃에서 전자기 방사의 휘도를 최대화시키는 것(즉, 플럭스 강도를 최대화시키는 것)이다. 종래 기술은 구면, 타원면 및 포물면 반사기를 포함하는 소위 축상(on-axis) 반사기 시스템과, 구면, 환상면(toroide) 및 타원면 반사기를 포함하는 비축상(off-axis) 반사기 시스템의 사용을 개시한다. 타깃이 전자기 방사원의 아크 간격의 크기와 유사한 치수(dimension)를 갖는 경우, 비축상 반사기 시스템은 축상 반사기 시스템보다 타깃에서 더 높은 효율과 휘도를 달성하며, 그에 따라 광섬유 타깃에 의해 수집될 수 있는 광량을 최대화시킨다. 전자기 방사원의 아크 간격보다 훨씬 큰 치수를 갖는 타깃인 경우에, 축상 반사기 시스템과 비축상 반사기 시스템은 모두 방사원으로부터 도파관으로의 방사를 수집하고 집광하며 커플링하는 데 효율적이다.

광학적 수집 및 집광 시스템은 광 전구와 같은 광원으로부터 광 에너지를 수광하여 광 에너지를 타깃 쪽으로 향하게 하는 반사기 및 렌즈와 같은 다양한 광학적 요소를 포함한다. 특히, 광학 시스템은 단일 섬유 또는 섬유 다발과 같은 표준 도파관으로 광 에너지를 커플링 시키거나 프로젝터의 균질화기로 광 에너지를 출력하기 위해 전자기 방사를 수집 및 집광시킨다. 광학 시스템의 기능적인 목적은 타깃에서 전자기 방사의 휘도(즉, 플럭스 강도)를 최대화시키는 것이다.

광원으로부터 광을 수집 및 집광하는 광학 시스템은 대체로 "축상" 또는 "비축상"으로 분류된다. 축상 시스템에서, 반사기는 광원과 타깃 사이의 광축 상에 위치된다. 도1은 촬상 렌즈와 함께 포물면 반사기를 사용하는 공지된 축상 광학 시스템을 도시한다. 포물면 반사기는 초점으로부터 발산하는 광 에너지가 광축에 평행하게 진행하도록 사실상 시준되는 특징을 갖는다. 도1의 광학 시스템은 광원으로부터의 광을 시준하기 위해 초점에 광원을 위치시킴으로써 포물면 반사기의 이러한 특징을 사용한다. 광학 스트림(stream) 내에 위치된 집광 렌즈는 사실상 시준된 광 에너지를 수광하고 광 에너지를 타깃 쪽으로 다시 향하게(redirect) 한다. 이런 방식으로, 광 에너지는 타깃에 수집 및 집광된다. 포물면 반사기의 사용은 광학 시스템의 성능 및 내구성을 개선하도록 다양한 유형의 광학 필터를 사용하는 것을 추가적으로 허용한다. 그러나 광선이 최대 발산도를 갖는 광축 근처로 진행하는 상태에서, 광의 발산도는 반사기를 따라 연속적으로 변화한다. 그 결과, 시스템의 배율은 광원으로부터 방출된 광에 의해 취해진 상이한 경로를 따라 변화하며, 시스템의 휘도의 저하를 초래한다. 더욱이, 집속 렌즈는 심지어 완전한 조건에서조차도 왜곡된 화상을 생성하며, 실제 동작 시에는 실제로 화상 크기를 증가시켜 타깃에서 플럭스 강도를 감소시키는 부정확하게 수차된(aberrated) 화상을 통상 생성한다.

도2는 또 다른 공지된 축상 광학 시스템을 도시한다. 이러한 시스템은 타원면 반사기를 사용하며, 타원면 반사기는 하나의 초점으로부터 발산된 모든 광이 제2 초점으로 향하는 특징을 갖는다. 도2의 광학 시스템은 광원이 제1 초점에 위치되고 타깃이 제2 초점에 위치된 타원면 반사기를 사용한다. 이전의 시스템에서와 같이, 광선이 최대 발산도를 갖는 광축 근처로 진행하는 상태에서, 축상 타원면 시스템은 광의 발산도가 반사기를 따라 연속적으로 변화하기 때문에 야기된 휘도 저 하를 겪는다.

전체적으로, 축상 시스템은 대체로 커플링 시 휘도가 손상되는 기본적인 한계를 가지며, 그에 따라 광학 조명 및 프로젝션 시스템의 전체적인 효율을 저하한다. 특히, 공지된 축상 시스템에서 반사 빔의 발산은 바람직하지 않게도 방사원으로부터의 방출각에 따라 달라진다. 또한, 축상 시스템의 출력은 사실상 원형이고 대칭적이어서, 프로젝션에 사용되는 직사각형 균질화기와 같은 비원형 타깃에 대해 적절하지 않을 수 있다.

비축상 광학 수집 시스템에서, 반사기는 광원과 타깃 사이에서 광축으로부터 벗어나서 위치된다. 예를 들어, 도3은 광원이 역반사기(retro-reflector)의 초점에 위치되고 타깃이 주 반사기의 초점에 위치되지만, 이들 반사기들이 광원과 타깃 사이에서 광축으로부터 벗어나서 위치되는 광학 시스템을 도시한다. 도시된 광학 시스템에서, 광원으로부터의 광 에너지는 역반사기로부터 반사되며 주 반사기로 진행된다. 그런 다음, 광학 에너지는 주 반사기로부터 반사되고 타깃에 집광된다.

도3의 비축상 시스템에서, 시스템의 개구수가 작을 때 광의 모든 각도에 대하여 배율은 1 대 1(1- to -1)에 매우 가깝다. 시스템이 더 큰 개구수를 갖는 미러를 사용하면(예를 들어, 동일한 광원으로부터 보다 많은 광 에너지를 수집하려고 할 때), 더 큰 각도의 광선이 큰 발산각으로 반사되어, 배율이 1 대 1에서 편차를 갖게된다. 다시, 배율은 타깃에서 휘도를 감소시키며 광학 시스템의 성능을 전체적으로 저하한다. 배율의 편차량은 미러의 크기, 곡률 반경 및 아크 램프와 타깃의 간격(separation)에 따라 달라진다. 따라서, 도3의 비축상 구성은 더 작은 개 구수를 사용하는 응용예인 경우에 더 적절할 수 있다.

다른 비축상 광학 시스템도 공지되어 있다. 예를 들어, 미국 특허 제4,757,431호("'431 특허")는 작은 타깃을 조명하는 최대 플럭스 강도와 작은 타깃에 의해 수집 가능한 플럭스 밀도의 양을 개선하는 비축상 구면 오목 반사기를 이용한 집광 및 수집 시스템을 제공한다. '431 특허의 광학 시스템에 대한 개선책은 비축상 오목 반사기가 타원면인 미국 특허 제5,414,600호("'600 특허")와 비축상 오목 반사기가 환상면인 미국 특허 제5,430,634호("'634 특허")에 의해 제공된다. '634 특허에 기재된 환상면 시스템이 비점수차를 보정하고 '600 특허의 타원면 시스템이 '431 특허의 구면 반사기보다 더 정확한 커플링을 제공하지만, 이들 시스템 각각은 균일한 두께로 도포하는 것이 상대적으로 비싸고 어려운, 고도로 곡면화된 반사 표면상으로의 광학 코팅의 도포를 필요로 한다.

전반적으로, 공지된 비축상 광학 시스템은 타깃에서 광원의 대체로 거의 1 대 1인 (즉, 배율이 없는) 화상을 제공하며, 휘도를 보존한다. 그러나 공지된 비축상 시스템에서, 반사기의 수집각을 증가시킴으로써 수집된 광량이 증가됨에 따라 배율은 1 대 1로부터 편차를 갖게 된다. 따라서, 광 강도를 증가시키기 위해 광원으로부터의 광 에너지의 더 많은 부분이 수집될 때, 광학 시스템의 전체적인 성능은 저하된다.

공지된 광학 수집 및 집광 시스템에서의 문제를 해결하기 위해, 미국 특허 제6,672,740호는 작은 크기의 광원에 대한 거의 1 대 1 배율을 달성하는 것을 비롯하여 다른 공지된 시스템에 비해 여러 가지 측면에서 장점이 있는 축상 이중 포물 면 반사기 시스템을 제공한다. 도4에 도시된 바와 같이, 이러한 광학 수집 및 집광 시스템은 제1 반사기로부터 반사된 광이 제2 반사기의 상응하는 부분에 수광되도록 위치된 두 개의 대체로 대칭인 포물면 반사기를 사용한다. 특히, 광원으로부터 방출된 광은 제1 포물면 반사기에 의해 수집되며 광축을 따라 제2 반사기 쪽으로 시준된다. 제2 반사기는 시준된 광 빔을 수광하며 초점에 위치된 타깃에 이러한 광을 집속시킨다.

이러한 광학 시스템의 설명을 용이하게 하기 위해, 도4는 광원으로부터 방출된 세 개의 상이한 광선 a, b 및 c에 대한 광 경로를 포함한다. 광선 a는 제1 포물면 반사기를 가로지르기 전에 상대적으로 작은 거리를 진행하지만, 제1 포물면 반사기에서 광선 a의 발산도는 상대적으로 크다. 이와 대조적으로, 광선 c는 광원과 제1 포물면 반사기 사이에서 더 멀리 진행하지만, 제1 포물면 반사기에서 더 작은 상대 발산도를 갖는다. 광선 a와 광선 c 사이에 위치된 광선 b는 제1 포물면 반사기를 가로지르기 전에 중간 정도의 거리를 진행하며, 중간 정도의 발산도를 갖는다. 이러한 광학 시스템에서, 두 개의 포물면 반사기의 대칭성 때문에, 각각의 광선에 대해 제2 포물면 반사기와 타깃 사이의 거리가 광원과 제1 포물면 반사기 사이에서의 거리와 동일하도록, 광선 a, b 및 c는 제2 포물면 반사기 내의 상응하는 위치에서 반사된다. 이러한 방식으로, 제2 반사기는 발산도를 보상한다. 결과적으로, 광학 시스템은 거의 1 대 1 배율을 가지면서 광원으로부터 광 에너지를 수집 및 집광하며, 광원의 휘도를 유지한다.

도4의 광학 시스템은 제1 포물면 반사기로부터 멀어지는 방향으로 광원에 의 해 방출된 방사를 포획하며 포획된 방사를 광원을 통해 재반사시키기 위해 제1 포물면 반사기와 함께 역반사기(retro-reflector)를 더 이용할 수 있다. 특히, 역반사기는 초점이 제1 포물면 반사기 쪽으로 사실상 광원 근처에 (즉, 제1 포물면 반사기의 초점에) 위치된 대체로 구면인 형상을 가지며, 그에 따라 제1 반사기로부터 반사되는 시준된 빔의 강도를 증가시킨다.

광원이 전술한 축상 이중 포물면 광학 시스템에서 반사기의 정점 측에 매우 근접하기 때문에 축상 이중 포물면 광학 시스템이 생겼으므로, 시스템은 광원 근처에서 (즉, 광선 a와 유사한 경로를 따라) 큰 발산각을 생성한다. 특히, 큰 발산각은 광선 a와 유사한 경로를 따라 진행하는 광 에너지가 제2 포물면 반사기 상에 상대적으로 큰 영역을 일주(compass)하며, 따라서 원하지 않는 수차와 휘도 손실을 일으킨다. 그러나 이들 참조 문헌 중 어느 것도, 타깃에서 최소 왜곡을 가지면서 최대 플럭스 강도를 얻기 위해 큰 발산 각도를 다루면서 광원과 집속 화상 사이의 배율을 최적화하는 시스템을 기술하지는 않는다.

그러므로, 타깃에서 집속된 방사 빔의 플럭스 강도를 최대화시키는 비대칭 포물면 반사기를 사용하여 전자기 방사를 수집하고 집중시키는 방법을 제공할 필요가 여전히 남아 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 전자기 방사를 수집 및 집광하는 개선된 시스템은 대향하는 비대칭 반사기들을 이용하며, 소스 화상과 타깃에서의 집속 화상 사이의 배율을 최적화시키며, 그에 따라 타깃에서 최대 집속 강도를 생성한다. 특히, 본 발명은 전자기 방사원으로부터 전자기 방사를 수집하고 방사원에 의해 방출된 전자기 방사의 적어도 일부분으로 조명되도록 수집된 방사를 타깃 상에 집속시키기 위한 광학 장치에 관한 것이다. 이 장치는 제1 및 제2 반사기를 포함하며, 각각의 반사기는 회전 포물면 또는 회전 타원면의 적어도 일부를 대체로 포함하고, 광축(A)과 광축(A) 상의 초점을 갖는다. 제1 반사기의 초점에 근접하게 위치된 광원은 광축(A)에 평행한 방향으로 제1 반사기로부터 반사되는 방사의 시준된 방사 광선을 생성한다. 제2 반사기는 회전 포물면 또는 회전 타원면의 적어도 일부를 포함하며, 광축(B)과 광축(B) 상의 초점을 갖는다. 제2 반사기는 제1 반사기로부터 반사된 방사 광선이 제2 반사기에 의해 반사되고 제2 반사기의 초점에 근접하게 위치된 타깃 쪽으로 집속되도록 제1 반사기에 대하여 위치되고 배향된다. 제1 및 제2 반사기는 약간 상이한 형상 및 크기를 갖는다. 대안적으로, 제2 반사기는 제1 반사기로부터 반사된 방사 광선이 제2 반사기의 초점에 수렴하도록 제1 반사기에 대하여 위치되고 배향된다. 그런 다음, 제2 반사기에 의해 반사되고 제2 반사기의 제2 초점에 근접 위치된 타깃 쪽으로 집속될 때까지, 방사 광선은 계속되게 된다. 제1 및 제2 반사기는 배율을 최적화하도록 서로 광학적으로 비대칭적으로 배향될 수 있다.

역반사기는 제1 반사기로부터 멀어지는 방향으로 광원에 의해 방출된 방사를 포획하고 포획된 방사를 광원을 통해 (즉, 제1 반사기의 초점을 통해) 제1 반사기 쪽으로 재반사시키도록 제1 반사기와 함께 사용될 수 있으며, 그에 따라 제1 반사기로부터 반사된 광선의 강도를 증가시킨다.

제1 및 제2 반사기는 각각의 광축이 서로 평행하게 배열된 상태로 대향 대면 관계로 배열될 수 있거나, 또는 제1 및 제2 반사기는 광축이 서로 일정 각도로 배열된 상태로 배열될 수 있으며, 그 경우에 제1 반사기에 의해 반사된 광선을 제2 반사기 쪽으로 다시 향하게 하기 위해 재지향(redirecting) 반사기가 사용된다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 제1 및 제2 반사기는 비대칭인 타원면/쌍곡면 쌍을 포함하며, 제1 및 제2 반사기 중 하나는 사실상 타원면 형상을 갖고 제1 및 제2 반사기 중 나머지 하나는 상응하는 사실상 쌍곡면 형상을 가지며, 타원면/쌍곡면 쌍의 각각의 반사기는 광원과 타깃 상의 집속 화상 사이의 배율을 양호하게는 최적화하기 위해 제1 반사기의 표면 부분에 의해 반사된 각각의 방사 광선이 제2 반사기의 상응하는 표면 부분에 의해 타깃 쪽으로 반사되도록 서로 상응하는 크기 및 광학적 배향을 갖는다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 전자기 방사 광선으로 타깃을 조명하는 광학 장치는 제1 반사기와 제2 반사기를 포함한다. 제1 반사기는 제1 초점 거리, 제1 초점 및 제1 광축을 포함하며, 전자기 방사 광선은 제1 반사기의 제1 초점에 사실상 근접하도록 향하게 된다. 제2 반사기는 제2 초점 거리, 제2 초점, 및 제1 광축과 일치하지 않는 제2 광축을 포함한다. 제2 반사기는, 제1 반사기로부터 반사된 방사 광선의 적어도 일부를 수광하며 그 방사 광선의 일부를 제2 반사기의 제2 초점에 사실상 근접하게 위치된 타깃으로 반사시키도록 제1 반사기에 대하여 위치되고 배향된다. 제2 반사기는 제1 반사기에 대해 비대칭이다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 제2 반사기의 초점 길이는 제1 반사기의 초점 길이보다 길며, 이는 타깃에 입력된 방사 광선의 입사각을 더 작게 하며, 그에 따라 프레넬 반사 손실(Fresnel reflection loss)을 감소시킨다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 제1 및 제2 반사기의 비대칭 특성은 순 출력 커플링 효율(net output coupling efficiency)을 최대화하도록 선택된다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 두 개의 반사기의 초점 거리들 사이의 초점 거리 차이는 프레넬 반사 손실과 화상 수차 사이의 트레이드오프(tradeoff)를 최적화하도록 선택되며, 그에 따라 최대 순 출력 커플링 효율을 생성한다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 전자기 방사 광선으로 타깃을 조명하는 광학 장치는 제1 반사기 및 제2 반사기를 포함한다. 제1 반사기는 제1 초점 거리, 제1 초점, 제2 초점 및 제1 광축을 포함한다. 전자기 방사 광선은, 제1 반사기로부터 반사되며 제2 초점에 사실상 수렴하도록 제1 반사기의 제1 초점에 사실상 근접하도록 향하게 된다. 제2 반사기는 제2 초점 거리, 제1 초점, 제2 초점, 및 제1 광축과 일치하지 않는 제2 광축을 포함한다. 타깃은, 제2 반사기의 제2 초점을 통과하며 제2 반사기의 제1 초점에 사실상 수렴하도록 제2 반사기에 의해 반사된 방사 광선의 적어도 일부를 수용하기 위해, 제2 반사기의 제1 초점에 사실상 근접하게 위치된다. 제2 반사기는 제1 반사기의 제2 초점과 제2 반사기의 제2 초점이 사실상 근접하게 위치되도록 제1 반사기에 대하여 위치되고 배향된다. 제2 반사기는 제1 반사기에 대하여 비대칭이며, 이는 순 출력 커플링 효율을 최적화시킨다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 전자기 방사 광선을 수집하고 수집된 전자기 방사 광선을 타깃 상에 집속시키는 방법이 제공된다. 이 방법은 전자기 방사 광선을 제1 반사기의 제1 광축 상의 제1 초점에 사실상 근접하도록 향하게 하는 단계와, 제1 반사기로부터 반사된 방사 광선의 적어도 일부를 수광하도록 제1 반사기에 대하여 제2 반사기를 위치시키고 배향시키는 단계와, 제2 반사기로부터 반사된 방사 광선의 적어도 일부를 수광하도록 타깃을 제2 반사기의 초점에 근접하게 위치시키는 단계를 포함하며, 여기서 제2 반사기는 프레넬 반사 손실을 효율적으로 감소시키기 위해 제1 반사기에 대하여 비대칭이다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 전자기 방사 광선을 수집하고 수집된 전자기 방사 광선을 타깃 상에 집속시키는 방법이 제공된다. 이 방법은 제1 반사기가 제1 반사기로부터 반사된 방사 광선을 제1 광축 상의 제2 초점에 사실상 수렴시키도록 전자기 방사 광선을 제1 반사기의 제1 광축 상의 제1 초점에 사실상 근접하도록 향하게 하는 단계와, 제2 반사기의 제2 광축 상의 제1 초점이 제1 반사기의 제2 초점에 사실상 근접하게 하여 제1 반사기로부터 반사된 수렴하는 방사 광선이 제1 반사기의 제1 초점을 통과하고 제2 반사기에 의해 제2 광축 상의 제2 초점 쪽으로 다시 향하게 되도록 제2 반사기를 위치시키는 단계와, 타깃을 제2 반사기의 제2 초점에 근접하게 위치시키는 단계를 포함하며, 제2 반사기는 프레넬 반사 손실을 효율적으로 감소시키도록 제1 반사기에 대하여 비대칭이다.

필터 또는 다른 광학적 요소는 시준 반사기와 집속 반사기 사이에 배열될 수 있다.

제1 및 제2 반사기의 형상은 시스템에 의해 요구되는 바와 같이 타원면 또는 포물면으로부터 벗어날 수 있다. 마찬가지로, 제1 및 제2 반사기는 타원면에 근접하는 환상면 또는 구면 형상을 가질 수 있다.

본 발명의 실시예들은 여러 개의 도면에서 동일한 구성 요소 또는 특징부들이 동일한 참조 부호에 의해 표현되는 첨부 도면을 참조하여 설명될 것이다.

도1은 포물면 반사기와 집속 렌즈를 사용하는 공지된 축상 집광 및 수집 광학 시스템의 개략적인 단면도이다.

도2는 타원면 반사기를 사용하는 공지된 축상 집광 및 수집 광학 시스템의 개략적인 단면도이다.

도3은 비축상 집광 및 수집 광학 시스템의 개략적인 단면도이다.

도4는 두 개의 포물면 반사기를 사용하는 축상 집광 및 수집 광학 시스템의 개략적인 단면도이다.

도5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 두 개의 타원면 반사기를 사용하는 비축상 집광 및 수집 광학 시스템의 개략적인 단면도이다.

도6은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 더 큰 이심률을 갖는 두 개의 반사기를 사용하는 집광 및 수집 광학 시스템의 개략적인 단면도이다.

도7a 내지 도7j는 본 발명의 실시예에서 이용될 수 있는 복수의 도파관 타깃의 개략적인 단면도이다.

도8a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 이중 포물면 반사기 시스템의 개략도이다.

도8b는 표준 이중 포물면 반사기 시스템에 따른 입사각의 개략도이다.

도9a 및 도9b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 이중 포물면 또는 타원면 반사기 시스템의 개략도이다.

도10은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 이중 포물면 또는 타원면 반사기 시스템의 개략도이다.

이제 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예가 기술된다. 이들 실시예는 본 발명의 원리를 설명하며 본 발명의 범위를 제한하는 것으로서 해석되지 않아야 한다.

본 발명의 대타깃인 예시적인 실시예를 도시하는 것으로서 도5, 도6 및 도8 내지 도10을 참조하면, 본 발명은 전자기 방사원(10), 제1 반사기(20), 제2 반사기(30) 및 타깃 또는 테이퍼형 광 파이프(tapered light pipe; TLP)(50)와 같은 네 개의 주요 구성 요소와 관련되어 있다.

전자기 방사원(10)은 양호하게는 외피(12: envelope)를 갖는 광원이다. 더욱 양호하게는, 전자기 방사원(10)은 제논(xenon) 램프, 메탈 할라이드(metal-halide) 램프, HID 램프 또는 수은 램프와 같은 아크(arc) 램프를 포함한다. 이하 더욱 상세히 기술되는 바와 같이, 시스템이 램프의 불투명하지 않은 (non-opaque) 필라멘트를 수용하도록 변경된다면, 특정 응용예의 경우, 할로겐 램프와 같은 필라멘트 램프가 사용될 수 있다. 그러나 타깃과 동일한 크기이거나 타깃보다 작은 임의의 전자기 방사원(예를 들어, 섬유, 필라멘트 램프, 가스 방전 램프, 레이저, LED, 반도체 등)이 사용될 수 있다.

전자기 방사원의 크기는 전자기 방사원의 휘도(각 범위에 대한 플럭스 밀도)를 특정하는 강도 윤곽 맵(intensity contour map)의 1/e 강도에 의해 더 양호하게 정의된다. 휘도는 아크 간격(arc gap)의 크기에 관계되며, 커플링 효율의 이론적인 한계값을 결정한다. 아크 램프의 특별한 경우에, 윤곽은 거의 축 대칭이 되며, 정격(electrical rating), 전극 설계 및 조성, 가스 압력, 아크 간격 크기 및 가스 조성의 복합적인 함수이다. 비대칭 곡면 외피를 갖는 아크 램프의 특별한 경우에, 반사기에 의해 결상된 전자기 방사원의 유효 상대 위치 및 강도 분포는 수차를 겪는다. 이는 본질적으로 렌즈로서 기능하고 보정용 광학 요소를 필요로 하는 외피의 형상에 의해 야기된다. 광학적 보정은 외피에 의해 야기된 비점수차를 보정하도록 반사기의 설계를 수정하거나 또는 전자기 방사원과 타깃 사이에 보정 광학기(optic)를 삽입함으로써 달성될 수 있다. 추가적으로, 프레넬 반사를 최소화하여 타깃에서 수집 가능한 방사를 최대화하거나, 또는 방사 플럭스를 제어 및/또는 필터링하기 위해 광학적 코팅이 도포될 수 있다.

제1 반사기(20)는 광축(22)과 초점(24, 26)을 갖는 회전 타원면 또는 회전 포물면의 일부를 포함한다. 제1 반사기(20)는 양호하게는 반사 코팅(28)(예를 들어, 알루미늄 또는 은)을 가지며, 표면은 고도로 연마된다. 특정 응용예의 경우, 제1 반사기(20)는 파장 선택형 다중층 유전체 코팅(wavelength-selective multi-layer dielectric coating)으로 코팅된 유리로부터 이루어질 수 있다. 예를 들어, 코팅(28)은 가시광 응용예에서 사용되는 가시광 파장에서만 높은 반사율을 갖는 냉 간 코팅(cold coating)일 수 있다. 전자기 방사원(10)이 제1 반사기(20)의 제1 초점(24)에 위치되는 경우, 제1 반사기(20)에 접촉하는 전자기 방사는 제1 반사기(20)의 제2 초점(26)에 수렴하는 에너지 빔으로서 반사된다. 소스(20)가 아크 램프인 경우, 아크 간격이 제1 반사기(20)의 초점 거리에 비해 작은 것이 바람직하다.

제2 반사기(30)는 광축(32) 및 초점(34, 36)을 갖는 회전 타원면 또는 회전 포물면의 일부를 포함한다. 제2 반사기(30)도 광 에너지를 선택적으로 반사하도록 전술한 바와 같은 코팅(38)을 가질 수 있다. 제2 반사기(30)는 제1 반사기(20)와는 형태 또는 크기가 다를 수 있다. 즉, 제1 및 제2 반사기는 서로 비대칭이다.

제2 반사기(30)는 제1 타원면 반사기(20)에 의해 반사된 전자기 방사선이 제2 반사기(30)의 제2 초점(36)에서 수렴하도록 위치되고 배향된다. 방사는 제2 반사기(30)의 표면을 부딪칠 때까지 계속되며, 그 이후에 제2 반사기(30)의 제1 초점(34) 쪽으로 집속된다. 제1 반사기(20)와 제2 반사기(30) 사이의 배율을 최적화하기 위해(즉, 집속된 화상이 전자기 방사원과 사실상 동일한 크기가 되도록), 제1 초점(34)에서 최대 가능 휘도인 초점을 달성하도록 제1 반사기(20)의 표면 부분에 의해 반사되고 집속된 전자기 방사의 각각의 광선이 제2 반사기(30)의 사실상 상응하는 표면 부분에 의해 반사되고 집속되는 것이 중요하다. 본 명세서의 맥락에서, 제1 반사기(20)의 표면 부분에 의해 시준된 전자기 방사의 각각의 광선이 제2 타원면 반사기(30)의 사실상 상응하는 표면 부분에 의해 집속되도록 제1 반사기(20)와 제2 반사기(30)가 서로 배향되고 위치된다.

타깃(50)은 가능한 최대 강도로 조명하는 것을 필요로 하는 작은 물체이다. 본 발명의 예시적인 실시예에서, 타깃(50)은 도6에 도시된 바와 같이 광 파이프, 테이퍼형 광 파이프, 단일 코어 광섬유, 광섬유들의 융합된 다발(fused bundle of optic fibers), 섬유 다발과 같은 도파관(waveguide)이다. 타깃의 입력단(예를 들어, 광섬유의 근위단)은 제2 반사기(30)에 의해 반사된 전자기 방사의 집속 광선을 수광하도록 제2 반사기(30)의 제2 초점(34)에 위치된다.

본 발명의 광학적 수집 및 집광 시스템이 화상의 투영 또는 조명을 위한 용도로 적용될 때, 출력이 더욱 균일하도록 타깃에서 출력 강도 프로파일을 균질화할 필요가 있다. 예를 들어, 내시경 검사와 같은 의료 시술 시의 조명을 위해, 의사가 조명의 중심 영역 및 주변 영역을 동일한 선명도로 관측할 수 있도록 균일한 조명을 갖는 것이 바람직하다. 광섬유를 사용하는 조명인 경우에, 균일한 강도로 인해 더 높은 파워가 열점(hot spot)에 의해 손상되지 않으면서 특정 광섬유 구성과 결합될 수 있다. 프로젝션인 경우에, 스크린에 균일한 강도 프로파일을 생성하기 위해 균일한 강도가 필요할 것이다. 특히, 시각적 미감을 위해 디스플레이된 화상의 중심 및 주변이 동일한 조명 수준을 갖는 것이 바람직하다.

따라서, 타깃은 도5에 도시된 바와 같이 출력 강도 프로파일을 조정하는 균질화기일 수 있다. 도파관은 도7a 내지 도7f에 도시된 바와 같이 단면이 다각형(정사각형, 직사각형, 삼각형 등)일 수 있으며, 도7g 및 도7h에 도시된 바와 같이 단면이 곡선형(원형, 타원형 등)일 수 있다.

개구수(numerical aperture) 및 크기에 관한 출력 요건에 따라, 균질화기는 더 작은 크기에서 더 큰 크기로 또는 그 반대로 테이퍼질 수 있다. 따라서, 타깃(50)은 도7i에 도시된 바와 같은 증가형 테이퍼 도파관 또는 도7j에 도시된 바와 같은 감소형 테이퍼 도파관일 수 있다. 이런 방식으로, 균질화기는 조명의 출력 형상을 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 투영된 화상(70)을 생성하도록 화상 소스(60)가 집광 렌즈(80) 및 투영 렌즈(90)를 통해 타깃(50)의 출력 스트림 내에 위치되는 프로젝션 디스플레이에서, 균질화기의 이상적인 출력은 디스플레이의 포맷에 따라 폭 대 높이의 비율이 4 대 3, 16 대 9이거나 또는 다른 비율을 갖는 직사각형이 될 것이다. 그럼에도, 양 방향에서 조명 방사의 각도는 유사해야 하며 따라서 원형인 투영 렌즈(90)가 광학 시스템과 함께 효율적으로 사용될 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 타깃 및 전자기 방사원이 본 발명의 수집 및 집광 시스템과 상세하게 연관되며, 상기 시스템은 단일 초점을 공유하도록(즉, 제1 반사기(20)의 제2 초점(26)과 제2 반사기(30)의 제2 초점(36)이 사실상 동일한 위치에 위치도록) 배열된 약간 상이한 크기 및/또는 형상인 두 개의 반사기의 사용과 관련이 있다.

수집 및 집광 시스템의 기술을 계속하면, 도5 및 도6에 도시된 배열에서, 제1 반사기(20)와 제2 반사기(30)는 서로를 향해 오목하게 되도록 서로 대향 대면 관계로 위치된다. 제1 반사기(20)와 제2 반사기(30)의 각각의 광축(22, 32)이 동일 직선상에 있고 제2 반사기(20)의 반사면이 배율을 최적화하는 제2 반사기(30)의 사실상 상응하는 반사면과 대향 대면 관계에 있도록, 제1 반사기(20)와 제2 반사기(30)를 배열함으로써 도5 및 도6의 배열에서의 광학적 대칭이 달성된다.

전자기 방사원(10)에 의해 생성된 전자기 방사에 대한 다양한 가능 경로의 관점에서 반사기의 기능을 설명하기 위해, 도5 및 도6에 세 개의 광선 a, b 및 c가 도시되어 있다. 도5 및 도6에서, 수차를 감소시키는 데에 있어서 본 발명의 광학 시스템의 효과를 설명하기 위해, 광선 a, b 및 c는 도4에서와 사실상 동일한 위치에 있다. 광원(10)으로부터 방출된 광선 a, b 및 c 각각은 각 지점이 광원(10)으로부터 상이한 거리를 갖는 상이한 지점에서 제1 반사기(20)와 부딪힌다. 그러나 광선 a, b 및 c 각각은 제2 반사기(30)의 상응하는 위치로부터 타깃(50) 상에 집속되며, 따라서 세 개의 광선에 대해 사실상 1:1 배율 또는 근소한 배율(slight magnification)을 생성한다.

이전과 같이, 광선 a는 광원(10) 및 제1 반사기(20)로부터의 거리가 가장 짧으며, 결과적으로 광선 b 및 c에 비해 더 큰 발산도(divergence)를 생성한다. 본 발명의 광학 시스템에서, 광원으로부터의 방사는 제1 반사기(20)의 제1 초점(24)으로부터 제2 초점(26)으로 집속된다. 결과적으로, 광원(10)으로부터의 방사에 의해 진행된 거리는, 심지어 광선 a와 같이 큰 각도로 방출된 경우에도, 포물면 반사기를 사용하는 도4의 시스템에서의 상응하는 거리보다 상대적으로 더 크다. 이제 광선 a, b 및 c의 거리가 상대적으로 보다 균일하므로, 이러한 더 큰 거리는 수차의 양을 감소시킨다.

수차를 더 감소시키기 위해, 도6은 제1 반사기(20') 및 제2 반사기(30')가 더 큰 이심률(eccentricity)을 갖는(즉, 제1 및 제2 반사기가 더 원형인) 본 발명의 예시적인 실시예를 도시한다. 이러한 예시적인 실시예에서는 제1 반사기(20') 및 제2 반사기(30')의 곡률이 더 커져서, 제1 반사기(20')의 제1 초점(24')과 제2 반사기(30')의 제1 초점(34') 사이의 거리는 감소된다. 동시에, 제1 반사기(20') 및 제2 반사기(30')의 더 큰 곡률은 광선 a를 따라 제1 반사기(20')와 그 제1 초점(24') 사이의 거리를 증가시킨다. 마찬가지로, 광선 a를 따라 제2 반사기(30')와 그 제1 초점(34') 사이의 상응하는 거리도 증가된다. 결과적으로, 도6에서 광선 a, b 및 c에 대한 [전자기 방사원(10')과 타깃(50') 사이의 전체 거리는 물론] 전자기 방사원(10')과 제1 반사기(20') 사이에서 진행된 거리는 도5의 실시예에 비해 상대적으로 더 균일하다. 이러한 구성은, 광선 a와 유사한 경로를 진행하는 에너지와 같이 전자기 에너지가 광축(22') 근처를 진행하는 경우에도, 상기 시스템은 광원과 타깃 사이에 더 적은 수차를 생성할 수 있게 한다.

도5 및 도6에서 동일한 광선 c의 경로를 비교함으로써, 도6의 실시예가 전자기 방사원(10)으로부터 동일한 각도의 출력 방사를 수집하기 위해 타원면의 더 많은 부분을 덮는 반사기(20', 30')를 사용한다는 것이 이해될 수 있다. 그러나 도6에서의 반사기(20', 30')는 도5에서의 반사기(20', 30')와 대체로 동일한 직경을 갖는다는 것이 이해될 수 있다.

도5 및 도6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수집 및 집광 시스템은 도시된 실시예에서 구면 역반사기(spherical retro-reflector)인 역반사기(40)의 사용을 포함할 수 있다. 역반사기(40)는 역반사기가 없었다면 제1 타원면 반사기(20) 상에 부딪히지 않았을, 방사원(10)에 의해 방출된 전자기 방사를 포착하도록 위치된다. 더 구체적으로, 제1 반사기(20)로부터 멀어지는 방향으로 전자기 방사원(10) 에 의해 방출된 방사가 역반사기(40)에 의해 제1 반사기(20)의 제1 초점을 통과 한 후 제1 반사기(20) 쪽으로 역반사 되도록 구면 역반사기(40)가 구성되고 배열된다. 제1 반사기(20)에 의해 반사된 이러한 추가적인 방사는 전자기 방사원(10)으로부터 제1 반사기(20)에 직접 부딪히는 방사에 추가되어, 제2 반사기(30) 쪽으로 반사되는 방사의 강도를 증가시킨다. 결과적으로, 제2 반사기(30)의 제1 초점(34)에서 방사의 강도도 증가된다.

필라멘트 램프가 전자기 방사원(10)으로서 이용되는 경우, 역반사된 방사가 제1 초점(24)에 위치된 불투명 필라멘트에 의해 차단될 수 있기 때문에, 역반사기는 제1 반사기(20)의 제1 초점(24)을 다시 통과하는 방사를 집속하도록 배향될 수는 없다. 이런 경우, 역반사된 방사가 제1 초점(24) 근처를 통과하지만 제1 초점(24)을 정확하게 관통해 통과하지 않도록 역반사기(40)의 위치가 조정되어야 한다.

몇 가지 상이한 역반사기(40)가 공지되어 있으며 본 발명에서 이용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들어, 구면 역반사기(40)에 대한 대안으로서, 역반사 기능은 전자기 방사원(10)의 아크 크기 정도 또는 그 이하의 크기인 단위 요소들을 갖는 2차원 코너 큐브 어레이(corner cube array)(도시되지 않음)에 의해 수행될 수 있다. 2차원 코너 큐브 어레이를 이용하면 역반사기를 정확하게 위치시킬 필요가 없으며, 전자기 방사원(10)의 아크에서 더 완전한 집속을 생성할 것이다.

전술한 실시예는 제1 및 제2 반사기가 타원면 또는 포물면 형상을 갖는 구성 을 기술하고 있지만, 이상적인 기하학적 타원면 또는 포물면 형상과는 약간 상이한 형상을 사용하여 제1 반사기(20) 및 제2 반사기(30)가 근사될 수 있다는 것이 본 발명에 의해 알려지고 예상된다는 것도 이해하여야 한다. 예를 들어, 제1 반사기(20) 및 제2 반사기(30)는 전구 외피, 필터 등과 같은 다양한 파라미터를 보상하도록 변형된 타원면 또는 포물면 형상을 가질 수 있다. 이런 경우에, 일반적인 타원면이거나 포물면의 반사기(20, 30)의 형상의 편차가 작을 수 있고, 최종 출력은 최적치와는 약간 상이할 수 있다. 또한, 반사기(20, 30)의 비용을 절감하거나 또는 특정 램프 유형 및 아크 형상에 대한 성능을 증가시키기 위해, 반사기의 형상의 편차가 도입될 수 있다. 예를 들어, 더욱 낮은 상대적인 비용으로 제조될 수 있는 (두 개의 동등하지 않은 수직인 곡률 반경을 갖는) 환상면 반사기 또는 구면 반사기에 의해 반사기(20, 30)가 근사될 수 있다는 것이 본 발명에 의해 알려지고 예상된다. 비타원면 반사기가 사용되면, 출력 커플링이 최적일 수는 없지만, 제1 반사기(20)와 제2 반사기(30)에 대해 감소된 비용이 비효율적인 커플링을 통한 손실을 정당화하기에 충분할 수 있다.

표준 이중 포물면 반사기(dual paraboloid reflector: DPR) 시스템에서, 두 개의 반사기는 서로 대칭이다. 아크의 화상은 타원면 또는 포물면 반사기 시스템에서와 같이 일반적으로 왜곡되지 않거나 불분명해지지 않을 수 있다. 커플링 효율은 작은 인텐듀(entendue) 응용예의 경우에 특히 더 높아진다. 표준 DPR 시스템의 특성은 테이퍼형 광 파이프 또는 타깃(50)으로 입사되는 광이 도8b에 도시된 바와 같이 ±90°만큼 클 수 있다는 것이며, 이는 프레넬 반사 손실이 큰 글레이징 각(glazing angle)이다. 이제 도8a를 다시 참조하면, 본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, DPR 시스템(100)은 서로 비대칭인 제1 반사기(20)와 제2 반사기(30)를 포함한다. 대안적으로, 제1 반사기(20)와 제2 반사기(30)는 형상 및/또는 크기가 상이한 두 개의 단면을 갖는 단일 반사기로 대체될 수 있다. 이들 두 개의 반사기(20, 30)의 비대칭성은 약간의 배율을 야기하며, 이는 화상 왜곡을 초래한다. 그러나 TLP(50)로 입력된 광 또는 방사는 표준 DPR 시스템보다 작은 입사각을 가지며, 따라서 순 출력 커플링 효율을 최대화시킨다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 도9a의 DPR 시스템(200)은 전자기 방사원(10), 제1 반사기(20), 제2 반사기(30) 및 TLP(50)을 포함하며, 두 개의 반사기(20, 30)는 약간의 배율이 적용되도록 비대칭이다. 대안적으로, 제1 반사기(20)와 제2 반사기(30)는 형상 및/또는 크기가 상이한 두 개의 단면을 갖는 단일 반사기로 대체될 수 있다. 본 발명의 일 양태에 따르면, 제2 반사기(30)는 제1 반사기(20)보다 크며, 제2 반사기(30)보다 긴 초점 거리를 갖는다. 약간의 배율은 작은 양의 화상 왜곡을 초래하지만, TLP(50)로의 입력광은 더 작은 입사각을 가져서 프레넬 손실을 감소시킨다.

제1 반사기(20)는 양호하게는 광축(22)[또는 초점의 축(22)]을 갖는 포물면 반사기이며, 제2 반사기(30)는 양호하게는 광축(32)[또는 초점의 축(32)]을 갖는 포물면 반사기이다. 두 개의 축(22, 32)은 일치하지 않는다. 제2 반사기(30)로부터 TLP(50) 상으로의 합성 광 입사는 도9b에 도시되어 있다. 출력부 또는 제2 반사기(30)가 입력부 또는 제1 반사기(20)와 동일한 초점면(22)으로 트리 밍(trimming)될 때, 출력부 또는 제2 반사기(30)의 초점의 축(32)은 도9b에 도시된 바와 같이 DPR 시스템(200)의 바깥쪽에 위치될 것이다. 이러한 것은 유리하게는 ±90°보다 작은 입사각을 야기하며, 이는 프레넬 반사의 효과를 감소시킨다.

DPR(200) 또는 이중 타원면 반사기(DER) 시스템(300)은 광 추적(ray tracing)을 사용하여 설계될 수 있다는 것이 이해된다. 본 발명에서 프레넬 반사를 감소시킴에 의한 이득(gain)이 DPR 또는 DER 시스템(200)의 비대칭성에 기인하는 화상의 근소한 왜곡에 의해 부분적으로 손실된다. 결과적으로, 본 발명의 시스템은 순 출력 커플링 효율을 최대화시키는 화상 수차 또는 왜곡과 프레넬 반사 손실 사이의 트레이드오프(tradeoff)를 최적화한다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 도10의 DER 시스템(200)은 전자기 방사원(10), 제1 반사기(20), 제2 반사기(30) 및 TLP(50)를 포함하며, 두 개의 타원면 반사기(20, 30)는 약간의 배율이 적용되도록 비대칭이다. 본 발명의 일 양태에 따르면, 제2 반사기(30)는 제1 반사기(20)보다 크며, 제2 반사기(30)보다 더 긴 초점 거리를 갖는다. 약간의 배율은 작은 양의 화상 왜곡을 초래하지만, TLP(50)로의 입력광은 더 작은 입사각을 가져서 프레넬 손실을 감소시킨다.

제1 반사기(20)는 양호하게는 광축(22)[또는 초점의 축(22)]을 갖는 타원면 반사기이며, 제2 반사기(30)는 양호하게는 광축(32)[또는 초점의 축(32)]을 갖는 타원면 반사기이다. 두 개의 축(22, 32)은 일치하지 않는다. 제2 반사기(30)로부터 TLP(50) 상으로의 합성 광 입사는 DPR 시스템(200)에 대하여 도9b에 도시되어 있는 것과 유사하다. 출력부 또는 제2 반사기(30)가 입력부 또는 제1 반사기(20) 와 동일한 초점면(22)으로 트리밍될 때, 출력부 또는 제2 반사기(30)의 초점의 축(32)은 [DRP 시스템(200)에 대하여 도9b에 도시된 것과 유사하게] DER 시스템(300)의 바깥쪽에 위치될 것이다. 이러한 것은 유리하게는 ±90°보다 작은 입사각을 야기하며, 이는 프레넬 반사의 효과를 감소시킨다.

본 발명의 몇 가지 예가 이제 제공된다. 이들 예는 본 발명의 몇 가지 실현 가능한 구현 예를 기술하도록 의도되며 본 발명의 권리 범위를 제한하지 않도록 의도된다.

예

본 발명에 따른 예시적인 광학 시스템의 제1 쌍은 광원으로서 대략 100 W인 저 와트 램프를 사용한다. 도5의 실시예에 따른 반사 시스템에서, 제1 및 제2 반사기 각각은 직경이 6.35 cm(2.5 inch)이며 광원과 타깃 사이의 간격(즉, 초점들 사이의 거리)은 대략 12.7cm(5 inch)이다. 이와 대조적으로, 도6에 도시된 실시예에 따른 더 큰 이심율을 갖는 저 와트 반사 시스템은 각각의 직경이 대략 6.35 cm(2.54 inch)인 동일한 크기의 제1 및 제2 반사기를 사용하지만, 광원과 타깃 사이의 거리는 대략 5.08 cm(2 inch)이다.

더 큰 와트 응용예에서, 더 높은 전자기 에너지 준위의 바람직한 수집을 제공하고 전위적으로 더 큰 램프를 수용하도록 광학 시스템이 비교적 더 크다. 예를 들어, 도5의 구성으로 대략 5000 W인 고 와트 램프를 사용하면, 주 반사기는 각각 50.8 cm(20 inch)의 직경을 가지며, 광원과 타깃 사이의 간격은 대략 40 inch(101.6cm)이다. 전과 같이, 도6의 실시예는 유사한 크기의 주 반사기를 사용 하지만, 광원과 타깃 사이의 거리는 감소된다. 예를 들어, 도6의 실시예에 따른 예시적인 고 와트 광학 시스템은 대략 50.8 cm(20 inch)의 직경을 갖는 제1 및 제2 반사기를 사용하지만, 광원과 타깃 사이의 거리는 40.64 cm(16 inch)이다.

전술한 본 발명이 본 발명의 사상과 범위로부터 벗어나지 않으면서 많은 방식으로 변경될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 임의의 그리고 모든 이러한 변형은 이어지는 청구 범위의 범주 내에 포함되도록 의도된다.

Claims (36)

1. 삭제
2. 삭제
3. 전자기 방사 광선으로 타깃을 조명하는 광학 장치이며,

   제1 초점 및 제1 광축을 포함하는 제1 반사기로서, 상기 전자기 방사 광선이 상기 제1 반사기의 상기 제1 초점에 사실상 근접하도록 향하게 되는 제1 반사기와,

   제2 초점 및 제2 광축을 포함하는 제2 반사기로서, 상기 제1 반사기로부터 반사된 방사 광선의 적어도 일부를 수광하여 상기 방사 광선의 상기 일부를 상기 제2 반사기의 상기 제2 초점에 사실상 근접하게 위치된 타깃으로 반사시키도록 상기 제1 반사기에 대하여 위치되고 배향되고, 상기 제1 반사기에 대하여 비대칭인 제2 반사기를 포함하고,

   상기 제1 반사기는 제1 초점 거리를 갖고, 상기 제2 반사기는 상기 제1 초점 거리와 다른 제2 초점 거리를 가지며,

   상기 제2 반사기의 제2 초점 거리는 상기 제1 반사기의 제1 초점 거리보다 길어서, 상기 타깃에 입력되는 상기 방사 광선의 입사각을 낮추는 광학 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 반사기의 비대칭 특징이 순 출력 커플링 효율을 최대화하도록 선택되는 광학 장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 제1 초점 거리와 상기 제2 초점 거리 사이의 초점 거리 차이는 프레넬 반사 손실과 화상 수차 사이의 트레이드오프를 최적화하도록 선택되는 광학 장치.
6. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 반사기의 각각은 실질적인 회전 포물면의 적어도 일부를 포함하는 광학 장치.
7. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 반사기의 각각은 실질적인 회전 타원면 또는 회전 환상면의 적어도 일부를 포함하는 광학 장치.
8. 제3항에 있어서, 상기 제2 광축은 상기 제1 광축과 일치하지 않는 광학 장치.
9. 제3항에 있어서, 상기 전자기 방사 광선의 일부는 제1 반사기 상에 직접 부딪히고, 상기 전자기 방사의 일부는 상기 제1 반사기 상에 직접 부딪히지 않으며, 상기 장치는 수렴 광선의 플럭스 강도를 증가시키기 위해 상기 제1 반사기 상에 직접 부딪히지 않는 전자기 방사의 일부 중 적어도 일부분을 상기 제1 반사기의 제1 초점을 통해 상기 제1 반사기 쪽으로 반사시키도록 구성되고 배열된 추가 반사기를 더 포함하는 광학 장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 추가 반사기는 상기 제1 반사기로부터 멀어지도록 방출된 전자기 방사를 상기 제1 반사기의 제1 초점을 통해 제1 반사기 쪽으로 반사시키기 위해 제1 반사기의 맞은편에 상기 제1 반사기의 제1 초점의 일측 상에 배치된 구형 역반사기를 포함하는 광학 장치.
11. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광축은 서로 사실상 평행하며, 상기 제1 및 제2 반사기는 서로 대향 대면 관계로 배열되는 광학 장치.
12. 제3항에 있어서, 타깃에서 수집되고 집광되는 상기 방사에 의해 조명되는 화상 소스를 더 포함하고, 상기 화상 소스는 저장된 화상을 포함하며, 상기 저장된 화상은 방사에 의해 투영되는 광학 장치.
13. 제3항에 있어서, 상기 제1 및 제2 반사기는 각각 제1 반사기의 제1 초점과 타깃 사이의 거리보다 사실상 더 큰 직경을 갖는 광학 장치.
14. 제3항에 있어서, 상기 타깃은 테이퍼형 광 가이드인 광학 장치.
15. 삭제
16. 삭제
17. 전자기 방사 광선으로 타깃을 조명하는 광학 장치이며,

    제1 초점, 제2 초점 및 제1 광축을 포함하는 제1 반사기로서, 상기 전자기 방사 광선은 상기 제1 반사기로부터 반사되어 상기 제1 반사기의 제2 초점에 사실상 수렴하도록 상기 제1 반사기의 제1 초점에 사실상 근접하도록 향하게 되는 제1 반사기와,

    제1 초점, 제2 초점 및 제2 광축을 포함하는 제2 반사기를 포함하며,

    상기 제2 반사기의 제2 초점을 통과하고 상기 제2 반사기에 의해 반사되어 상기 제2 반사기의 제1 초점에 사실상 수렴하는 상기 방사 광선의 적어도 일부를 수광하도록 타깃이 상기 제2 반사기의 제1 초점에 사실상 근접하게 위치되고,

    상기 제2 반사기는 상기 제1 반사기의 제2 초점과 상기 제2 반사기의 제2 초점이 사실상 근접하게 위치되도록 제1 반사기에 대해 위치 및 배향되고,

    상기 제2 반사기는 상기 제1 반사기에 대하여 비대칭이며,

    상기 제1 반사기는 제1 초점 거리를 갖고, 상기 제2 반사기는 상기 제1 초점 거리와 다른 제2 초점 거리를 갖고,

    상기 제2 반사기의 제2 초점 거리가 상기 제1 반사기의 제1 초점 거리보다 길어서, 타깃에 입력되는 상기 방사 광선의 입사각을 낮추는 광학 장치.
18. 제17항에 있어서, 상기 제1 반사기 및 제2 반사기의 비대칭 특징은 순 출력 커플링 효율을 최대화하도록 선택되는 광학 장치.
19. 제17항에 있어서, 상기 제1 초점 거리와 상기 제2 초점 거리 사이의 초점 거리 차이는 프레넬 반사 손실과 화상 수차 사이의 트레이드오프를 최적화하도록 선택되는 광학 장치.
20. 제17항에 있어서, 상기 제1 및 제2 반사기의 각각은 실질적인 회전 포물면의 적어도 일부를 포함하는 광학 장치.
21. 제17항에 있어서, 상기 제1 및 제2 반사기의 각각은 실질적인 회전 타원면 또는 회전 환상면의 적어도 일부를 포함하는 광학 장치.
22. 제17항에 있어서, 상기 제2 광축은 상기 제1 광축과 일치하지 않는 광학 장치.
23. 제17항에 있어서, 상기 전자기 방사 광선의 일부는 제1 반사기 상에 직접 부딪히고, 상기 전자기 방사의 일부는 상기 제1 반사기 상에 직접 부딪히지 않으며, 상기 장치는 수렴 광선의 플럭스 강도를 증가시키기 위해 상기 제1 반사기 상에 직접 부딪히지 않는 전자기 방사의 일부 중 적어도 일부분을 상기 제1 반사기의 제1 초점을 통해 상기 제1 반사기 쪽으로 반사시키도록 구성되고 배열된 추가 반사기를 더 포함하는 광학 장치.
24. 제23항에 있어서, 상기 추가 반사기는 상기 제1 반사기로부터 멀어지도록 방출된 전자기 방사를 상기 제1 반사기의 제1 초점을 통해 제1 반사기 쪽으로 반사시키기 위해 제1 반사기의 맞은편에 상기 제1 반사기의 제1 초점의 일측 상에 배치된 구형 역반사기를 포함하는 광학 장치.
25. 제17항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광축은 서로 사실상 평행하며, 상기 제1 및 제2 반사기는 서로 대향 대면 관계로 배열되는 광학 장치.
26. 제17항에 있어서, 타깃에서 수집되고 집광되는 상기 방사에 의해 조명되는 화상 소스를 더 포함하고, 상기 화상 소스는 저장된 화상을 포함하며, 상기 저장된 화상은 방사에 의해 투영되는 광학 장치.
27. 제17항에 있어서, 상기 제1 및 제2 반사기는 각각 제1 반사기의 제1 초점과 타깃 사이의 거리보다 사실상 더 큰 직경을 갖는 광학 장치.
28. 제17항에 있어서, 상기 타깃은 테이퍼형 광 가이드인 광학 장치.
29. 전자기 방사 광선을 수집하고 수집된 전자기 방사 광선을 타깃 상에 집속하는 방법이며,

    상기 전자기 방사 광선을 제1 반사기의 제1 광축 상의 초점에 사실상 근접하도록 향하게 하는 단계와,

    상기 제1 반사기로부터 반사된 상기 방사 광선의 적어도 일부를 수광하도록 상기 제1 반사기에 대하여 제2 반사기를 위치 및 배향시키는 단계와,

    상기 제2 반사기로부터 반사된 방사 광선의 상기 적어도 일부를 수광하도록 제2 반사기의 초점에 근접하게 상기 타깃을 위치시키는 단계를 포함하며,

    상기 제2 반사기는 순 출력 커플링 효율을 최적화하도록 상기 제1 반사기에 대하여 비대칭이고,

    상기 제1 반사기는 제1 초점 거리를 갖고, 상기 제2 반사기는 상기 제1 초점 거리와 다른 제2 초점 거리를 가지며,

    상기 제2 반사기의 제2 초점 거리를 상기 제1 반사기의 제1 초점 거리보다 길게 형성하여, 상기 타깃에 입력되는 상기 방사 광선의 입사각을 낮추는 단계를 더 포함하는

    전자기 방사 광선의 수집 및 집속 방법.
30. 삭제
31. 제29항에 있어서, 순 출력 커플링 효율을 최대화하도록 상기 제1 및 제2 반사기의 비대칭 특성을 선택하는 단계를 더 포함하는 전자기 방사 광선의 수집 및 집속 방법.
32. 제29항에 있어서, 최대 순 출력 커플링 효율을 제공하도록 프레넬 반사 손실과 화상 수차 사이의 트레이드오프를 최적화하는 단계를 더 포함하는 전자기 방사 광선의 수집 및 집속 방법.
33. 전자기 방사 광선을 수집하며 수집된 전자기 방사 광선을 타깃 상에 집속하는 방법이며,

    제1 반사기가 제1 반사기로부터 반사되는 상기 방사 광선을 제1 광축 상의 제2 초점에 사실상 수렴시키기 위해, 상기 전자기 방사 광선을 제1 반사기의 제1 광축 상의 제1 초점에 사실상 근접하도록 향하게 하는 단계와,

    제2 반사기의 제2 광축 상의 제1 초점이 제1 반사기의 제2 초점에 사실상 근접하도록 제2 반사기를 위치시킴으로써, 상기 제1 반사기로부터 반사된 수렴하는 방사 광선이 제1 반사기의 제1 초점을 통과하여 상기 제2 광축 상의 제2 초점 쪽으로 제2 반사기에 의해 다시 향하게 되는, 제2 반사기를 위치시키는 단계와,

    제2 반사기의 제2 초점에 근접하게 타깃을 위치시키는 단계를 포함하며,

    상기 제2 반사기는 프레넬 반사 손실을 효과적으로 감소시키기 위해 상기 제1 반사기에 대하여 비대칭이고,

    상기 제1 반사기는 제1 초점 거리를 갖고, 상기 제2 반사기는 상기 제1 초점 거리와 다른 제2 초점 거리를 갖고,

    상기 제2 반사기의 제2 초점 거리를 상기 제1 반사기의 제1 초점 거리보다 길게 형성하여, 타깃에 입력되는 상기 방사 광선의 입사각을 낮추는 단계를 더 포함하는

    전자기 방사 광선의 수집 및 집속 방법.
34. 삭제
35. 제33항에 있어서, 순 출력 커플링 효율을 최대화하도록 상기 제1 및 제2 반사기의 비대칭 특성을 선택하는 단계를 더 포함하는 전자기 방사 광선의 수집 및 집속 방법.
36. 제33항에 있어서, 최대 순 출력 커플링 효율을 제공하도록 프레넬 반사 손실과 화상 수차 사이의 트레이드오프를 최적화하는 단계를 더 포함하는 전자기 방사 광선의 수집 및 집속 방법.

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