KR20010083910A - 토로이달형의 반사기를 사용한 집광 및 집속 시스템 - Google Patents

Abstract

아크 램프와 같은 전자기방사 광원은 토로이달형 반사표면으로부터 옮겨진 지점에 놓여진다. 오목 주반사기은 광축으로부터 옮겨진 축외 이미지 포인트에 광원으로부터 전자기방사를 초점에 모은다. 환상 반사표면의 사용은 축외 배치에 의해 생기는 수차를 본질상 줄임으로써 구형 반사표면에 적절하게, 광화이버와 같은 작은 타켓으로의 집광효율을 증가시킨다. 보조 오목 반사기은 작은 타켓에 의해 집광된 전체 플럭스를 더 향상시키기 위해 제1 반사기이 반대편에 위치시킨다. 하나의 실시예에 따라, 본 발명은 곡률에 의해 나누어진 축외거리의 제곱은 전기파의 광원의 범위와 같거나 또는 더 작다(y。2/r

Description

토로이달형의 반사기를 사용한 집광 및 집속 시스템{CONCENTRATING AND COLLECTING OPTICAL SYSTEM USING CONCAVE TOROIDAL REFLECTORS}

전자기방사를 위한 통상적인 광 집속과 집광 설계들은 점광원에 가까운 전자기방사(radiation) 광원(source)으로부터 최대량의 광을 집속하고 방향을 바꾸는 것에 중점을 두고 있다. 이들 설계에 기초해서 작은 점 크기를 생산하게 되면 통상적인 설계(즉, 광의 최대양을 집속하고 방향을 전환시키는 방식)는 전통적인 일관되지 않는 광원으로부터 전자기방사가 시작될 때 전자기방사 플럭스(flux)를 가능한 가장 작은 점 크기로 집중시키려는 목적과 본질적으로 충돌하게되기 때문에 전자기방사 플럭스(flux)를 감소시키는 결과에 이르게 된다. 그런까닭에 작은 점 크기의 상(images)이 단지 플럭스 밀도 감소시킴으로써 얻어질 수 있다.

전자기방사를 집속하고 집광을 위해 일반적으로 사용되는 두가지의 기초적인 광학 설계가 있다. 첫번째는 도1에서 설명하고 있는 것과 같은 집광 렌즈(condenser lense)시스템이다. 집광 렌즈는 색 수차와 구면 수차를 만들어내는점, 비교적 고가인점, 본질적으로 어려운 얼라인먼트(alignment)와 많은 공간을 차지한다는 점을 포함하는 몇 가지 문제점을 가진다. 도2에서 나타내고 있는 것과 같은 타원형의 반사기은 또한 종전 기술 시스템에서 사용되었다. 이들의 문제점은 또한 높은 비용과 상의 피할 수 없는 배율(플럭스 밀도의 감소)을 포함한다. 상기에서 설명한 바와 같이 이들 시스템 모두는 플럭스 밀도를 희생하여 점 광원으로부터 최대 플럭스 양의 전환을 강조하는 경향이 있다.

참고문헌에 의해 본 발명으로 통합되는 미국 특허 제 4,757,431의 실시예(도3)는 작은 타켓을 조명하는 최대 플럭스와 작은 타켓에 모아질 수 있는 플럭스 밀도의 양을 증가시키는 축외(off-axis) 토로이달형 반사기을 채용하고 있는 향상된 집광과 집속 시스템에 대하여 설명하고 있다. 이 특허에서 설명된 축외(off-axis) (토로이달형 반사기은 어떤 불리한 점을 가지고 있는데 즉, 축외(off-axis)변위의 방향과 평행한 비점수차(astigmatism)와 이 거리를 최소화시키기 위한 장치가 원래부터 가지고 있는 물리적 한계를 말한다. 비점수차의 효과는 시스템의 집광효율을 감소시키고 그것에 의해서 타켓에서 집속되는 플럭스가 감소하게 된다. 광원과 타켓사이의 축외(off-axis) 거리를 최소화시키는 장치(즉, 비점 수차의 일그러짐을 최소화시키는 것을 의미)는 실시예에서 설명되는 광원과 타켓의 물리적 수치에 제한을 두게 된다. 변형할 수 있는 토로이달형의 반사기의 사용에 대한 설명은 2개의 수직과 균일하지 않은 곡률 반경을 가진 환상의 반사기의 사용으로 이끌어가는 것은 아니다.

발명의 요약

본 발명은 세가지 점에서 미국 특허 제 4,757,431에서 나타내고 있는 시스템을 능가하는 향상된 점을 나타내고 있다. (ⅰ) 점과 같은 전자기방사 광원에서 작은 타켓으로 방출되는 전자기방사의 집광과 집속을 향상시킨다.; (ⅱ) 작은 타켓으로 집속될 수 있는 플럭스를 증가시킨다. ; (ⅲ) 미국 특허 제 4,757,431에서 설명한 바와 같이 "축외(off-axis) 광학 시스템"을 위해 (특히 실제 시스템으로의 바람직한 실시예의 감소라는 점에서)집광과 전자기방사의 광원과 작은 타켓사이의 커플링(coupling) 효율을 증가시킨다.

이들과 다른 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 첫번째 광학 요소로 두개의 직각의 축, 전자기방사의 광원과 타켓(즉, 광화이버)을 따라 다른 두개의 곡률 반경을 가진 오목한 반사 표면(즉, 환형 반사기)을 사용한다. 광원과 타켓은 토로이달형 반사기( "축외 반사기")의 광학축으로 정의되는 시스템의 광학축의 반대편에 비슷한 위치에 위치해 있다. 타켓에 최대 플럭스 밀도를 집중시키기 위해 역반사기(retro-reflector), 바람직하게는 환상 설계 또는 선택적으로 구형설계는 광원으로부터 오는 전자기방사를 반사하고 또 광원을 지나 환상 반사기에서 되돌아온 전자기방사를 다시 집광하기 위해 광원의 뒤에 위치한다. 축외(off-axis) 환상 반사기과 함께 역반사기은 타켓에서 집광된 전자파의 집속가능한 플럭스 농도를 최대로하는 시스템으로 작용한다. 본질적으로 이 시스템은 2가지 방식으로 타켓에서 집속할 수있는 광휘(radiance)를 증가시킨다; : (i) 반사기의 환상 설계는 축외(off-axis)의 배열에 의해 또 아크(arc) 램프와 같은 전형적인 전자기방사 광원의 유리 덮개에 의해 생긴 비점수차(astigmatism)를 본질적으로 수정한다. (ii)또한 역반사기은 전자기방사 광원의 효율적인 광도를 증가시킨다. 이 시스템의 최대 광 효율성은 반사기과 타켓을 광학적으로 매칭시키으로써 얻어진다. 한편 타켓, 특히 타겟으로 광 화이버에 의해 집광할 수 있는 경우에서의 최대 플럭스 밀도는 시스템의 효율을 최대화 시키고 광원, 반사기과 타켓을 광학적으로 매칭시킴으로써 얻어진다. 반면 종전 기술은 타원형의 반사기 "on-axis" 또는 변형할수 있는 구형의 오목 반사기 "off-axis"의 사용에 대하여 설명하고 있다. 실제로 비구면 미러을 사용하는 경우 그 비용이 비싸다. 본 시스템의 중요한 잇점은 타켓에 집광하기 위해 매우 싼 비구면 미러, 환상체의 사용에 있다. 이 경우 타켓에서의 집속가능한 플럭스 밀도는 미러의 표면의 질에 영향을 받지 않는다.

본 발명은 전자기방사(magnetic radiation)를 집속하고 집광하기 위한 장치이다. 특히 광화이버와 같은 작은 타겟(target)에 높은 광휘(radiance)을 제공하기 위한 시스템이다.

도1은 선행기술인 집광 렌즈 시스템에 대한 개략도이다.

도2는 선행기술인 타원 렌즈 시스템에 대한 개략도이다.

도3a는 구형 반사기을 사용하는 선행기술의 x-z 평면에 대한 개략도이다.

도3b는 구형 반사기을 사용하는 선행기술의 y-z 평면에 대한 개략도이다.

도4a는 본 발명의 x-z 평면에 대한 개략도이다.

도4b는 본 발명의 y-z 평면에 대한 개략도이다.

도5는 본 발명 실시예에 대응하는 시스템이다.

도6a는 타켓에서 집광과 집속을 최대로 하기 위한 오목 구형 반사기을 위한 최적의 상 위치를 나타내는 광선 도해이다.도6b는 타켓에 전기파의 집중과 집속을 최대화시키기 위한 토로이달형의 반사기에 대한 최적의 상의 위치에 관한 광선 도형을 나타내고 있다. 광 수차를 보상하기 위한 두개의 곡률 반경을 가진 결과 이론적으로 l1과 l2는 최소혼동원으로 줄어들게 된다는 점에 유의하라. 실제적인 면에서, l1과 l2는 최소혼동원에 있게 되고(도6a를 보라) 최소혼동원에서 상의 크기는 환상 설계가 완벽하게 활용되는 정도에 의존하는 광원의 그것보다 크다.

도7a는 두개의 축외(off-axis)와 두개의 제2 역반사기을 포함하기 위한 확장된 도3a의 광 배치에 대한 개략도이다.

도7b는 도5a의 두개의 제2 역반사기을 광원에 따라 균일하지 않게 (환상)또는 균일하게(구형의) 직교 평면에 두개의 곡률반경을 가지는 하나의 반구로 줄인것을 나타낸다.

도8은 반사기과 광원들이 합쳐져서 본질적으로 하나의 완비된(self contained) 단위(unit)로 제조된다.

도9는 4개의 축외(off-axis) 환상 반사기에 의한 전자기방사에 연결된 4개의 타켓을 포함하는 본 발명의 확장이다.

다음의 명세서에서, 본 발명의 이해를 돕기 위해 설명의 목적으로 또 구체적인 숫자, 치수, 광 요소 등과 같은 제한되지 않은 구체적인 세부사항들을 설명하였다. 하지만 본 발명은 이의 구체적 세부사항과는 다른 실시예에서도 실행될 수 있다는 것은 이 분야의 기술을 가진 자에게 명백할 것이다. 다른 경우에서 있어서 이미 잘 알려진 장치와 기술에 대한 세부설명은 불필요한 사항으로 본 발명을 불명확화되는 것을 막기 위해 생략하였다.

집광, 집속에 위한 광 시스템은 3개의 주요 구성요소로 이루어진(도4) 본 발명에 따라 형성된다. 역반사기은 제사(forth) 요소로 선택적인 것이고 실행을 향상시키는 작용을 하게 된다.

(1) 광원

전자기방사의 점 광원. 본 발명의 환경에서, 점광원은 각의 범위가 작고 4스테라디안(stearadians)로 플럭스를 방출하는 건자기파의 콤팩트한 광원이다. 전형적으로는 이런 광원의 선형 각 크기는 겨우 0.1 라디언(radian)이다. 예로 전형적인 광원은 약 50mm의 거리의 오목 반사기앞에 놓여진 약 1 mm의 아크 갭(arc gap)을 가진 전기 아크 램프(electric arc lamp)가 될 수 있다. 실제에는 이런 광원은 범위가 확대된 광원이다. 바람직한 실시예에 있어서, 이것은 아크 갭이 1 mm 이하이고 석영 램프 덮개 또는 석영 창을 가진 세라믹 외장(enclosure)가진 콤팩트 크세논 아크 램프이다. 그러나 타켓과 비슷한 크기나 또는 이보다 작은 크기를 가진 전자기방사의 어떤 광원이 사용될 수 있다.(예로, 화이버, 필라멘트 램프, 가스 방전 램프, 레이저, LCD, 반도체 등등) 여기서 전자기방사 광원의 크기는 광원의 광도(brightness)를 특징지우는 등고선 지도(contour map)의 1/e 밀도를 정의하는 것이 낫다. 광도(brightness)는 아크 갭의 크기와 관계되고 결합효율의 이론적인 한계를 결정짓는다. 아크 램프의 구체적인 케이스를 위해컨튜어(contour)는 축대칭에 가깝고 전기 정격(rating), 전극 설계와 구성, 가스 압력과 아크 갭 크기와 가스 구성의 복합 작용을 한다. 구형의 구부러진 덮개를 가진 아크 램프의 구체적 경우에 효과적인 상대적 위치와 반사기에 의한 광원 이미지의 밀도 분포에 수차가생기게 된다. 이것은 필수적으로 렌즈로 작용하는 덮개의 형태에 의해 생기며 광학 요소를 보충하는 것이 필요하다. 광학 보상은 덮개에 의해 생긴 수차를 보상하기 위해 반사기의 설계를 변형시킴으로써 또는 축외(off-axis)반사기(아래를 보라)과 타켓사이에 적당한 렌즈(optic)를 삽입함으로써 달성될 수있다. 게다가, 광학 코팅은 프레스넬(Fresnel) 반사를 최소화시켜서 타켓에서 집속할 수 있는 전자기방사를 최대화시키기 위해 또는 전자기방사 플러스를 컨트롤하거나 그리고/또는 여과하기위해 덮개에 적용될 수 있다.

(2) 반사기

반사기(off-axis)은 광원으로부터 타켓으로 전자기방사를 반사하고 집중시킨다. 광원과 타켓 모두가 축외(off-axis)인 것에 비하여 이것의 광학축(optical axis)은 시스템의 Z 축으로 정의된다. 본 발명에 관련해서 반사기은 광원과 타켓의 특징에 달려있는 광원과 정확한 설계와 배치에 관계가 있는 토로이달형의 반사기의 일부분이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 이것의 정확한 설계는 광원과 타켓의 특징에 달려있다. 이들의 특징은 다음과 같다. 타켓에 있어서는 (i) 크기 (ii)모양 (iii)축외(off-axis)배치(아래를 보라) (iv)화이버 광 타켓에 있어서는 개구수, 직경과 화이버의 가로축과 세로축 사이의 각으로 정의되는 축외(off-axis) 반사기에 관하여 근위단의 각(angle); 광원에 관해서는, (i) 크기와 광도 (ii) 효과적인 개구수와 (iii) 광원 덮개 또는 존재하고 있다면 외장(enclosure)에 의해 생기는 수차. 광학 코팅은 반사을 향상시키거나 전자기방사 플럭스를 조절하거나/조절하고 여과하기 위해 반사기의 표면에 적용될 수 있다. 부가적인 수차 수정은 렌즈나 반사기과 타켓 사이에 삽입된 틸트 플레이트(tilt plate)로 , 광학코팅 또는 절연 코팅으로, 또는 이것 없이 수행될 수 있다.

(3) 타켓

타켓은 방사선 조사를 받거나 가능한 한 가장 높은 플러스 농도의 전자기방사로 조명을 받을 필요가 있는 작은 물체이다. 바람직한 실시예에서, 이것은 1mm 에 가깝거나 이보다 작은 직경을 가진 단일의 광화이버이다. 광화이버, 직경와 개구수의 특징은 광원과 반사기으로 구성되는 시스템의 광학적 특징에 따라 맞추어야 한다. 집광과 전달의 효율은 광학 프레파라트(preparation)를 화이버의 입구단에 첨가함으로써 향상되거나 조절될 수 있다. 선택적으로, 타켓은 단일의 광화이버가 되거나 유사하거 또는 유사하지 않는 모양, 크기, 재료와 개구수와 대칭적으로 또는 비대칭적으로 배열된 광화이버의 그룹이 될 수 있다. 화이버(들)의 끝(끝들)은 전형적으로 평편하게 광택이 난, 화이버(들)의 세로 축(들)에 수직이다; 그러나 반사기의 근위단은 (i) 아크 램프와 같은 전자기방사의 광원의 비대칭적인 상과 축외(off-axis) 배치와 램프 덮개에 의해 생긴 수차 모두를 보상하기 위해서, (ii) 집광 시스템에 화이버의 상대적인 개구수를 변형시키기 위해, (iii) 그리고 시스템의 광축에 관계에 대한 화이버 광 타켓의 근위단의 세로 축의 상대각을 조절하기 위해 앵글(angle)에서 연마(polish)될 수 있다.

(4) 역반사기

역반사기은 최초 광원에 전자기방사의 반전된 광도의 분포를 겹치게 함으로써 광원의 광도를 효과적으로 증가시키는 광원으로부터 또 광원를 관통하여 되돌아오는 전자기방사를 반사시키고 재집중시킨다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 역반사기은 광원에 비례하는 환상의 오목 반사기의 일부분이다. 다른 실시예에서, 역반사기은 구형 반사기의 일부분이다. 이것의 정확한 설계는 타켓의 크기(화이버 광 타켓의 경우에는 개구수)에 비례하는 광원의 형태와 크기, 만일 있다면 광원 덮개에 의해 필요로 되는 비구면렌즈에 의한 수정에 의해 좌우된다. 뿐만 아니라, 광학 코팅은 반사율을 향상시키기 위해 또는 조절하기 위해, 전자기방사 플럭스를 여과하거나/하고 약화시키기 위해 역반사기의 표면에 응용될 수 있다.

도 4a와 4b는 본 발명에 따른 이상적인 집광과 집속 시스템에 대하여 나타내고 있다. 곡률 중심과 환상 반사기 M₁(축외(off-axis) 반사기)의 광축에 의해 정의되는 시스템의 광축 O의 반대편에 광축으로부터 각각 y。만큼 떨어져 광원 S。와 타켓 T 가 있다. (환상 반사기의 광축은 곡률 반경의 수직교선에 법선으로 정의된다.) 또한, 역반사기 M₂는 이것의 곡률반경만큼 광원에서 떨어져 광원 S。의 뒤에 위치한다. 바람직한 실시예는 이 역반사기을 방사속(radiant flux) 밀도의 최대 집광을 위해 포함함에도 불구하고 이것은 타켓에서의 집광, 집중과 집속을 위해 필수적인 것은 아니다.

도4에서 보여주고 있는 바와 같이, 축외(off-axis) 변위 y。는 광원 S。와 타켓 T사이에 같은 값을 가진다. 본 발명의 실행을 위한 변형에 있어서는 광원의 축외(off-axis) 변위는 타켓의 그것과는 다를 수 있다. 후자에 있어서, 시스템의 효과적인 광축은 타켓과 광원사이에 놓일 것이고 반사기의 광축과는 다를 수 있다.이 경우에 효과적인 시스템 광축의 정확한 위치는 타켓의 개구수와 반사기의 효율적인 개구수에 따라 결정될 것이다. 축외(off-axis) 반사기의 광축이 시스템 광축의 정확한 설명이 되지 않는다면 시스템의 효과적인 광축은 광원의 개구수의 적당한 매칭(matching)으로부터 반사기의 효과적인 개구수까지 또 타켓의 개구수에까지 결정된다. 만일 타켓의 수용각 내에서 광을 집광하고 집중하는데 실제로 사용하는 반사기의 부분이 도에서 최대 구경 A1보다 더 작다면 반사기의 효과적인 개구수는 이론적인 개구수와는 다를 것이다. 타켓의 개구수가 축외(off-axis) 반사기의 그것보다 작은 시스템에 있어서 반사기의 효과적인 개구수는 그것의 이론적인 개구수보다 더 작을 것이다.

도 4a와 4b에서 설명된 시스템의 배치는 미국 특허 제4,757,431에서 밝히고 있는, 여기서 비교를 위해 도3a와 3b에서 나타내고 있는 것과 아주 유사하다는 것을 알게 될 것이다. 그 특허권에서 설명한 바와 같이, 구형 반사기의 사용은 축외(off-axis) 반사기(r)의 곡률 반경에 의해 나누어진 축외(off-axis)거리의 제곱(y。²)은 광원(S。)의 범위보다 더 작다는 제한을 부과하게 된다. 아래에서 설명하겠지만, 이 제한은 본 발명의 개선에 의해 쉽게 될 수 있다.

상기에서 설명된 특허권이 (i)구형 오목 미러에 비례하여 광원은 미러의 곡률 반경과 동일한 거리만큼 Z 축을 따라 위치하여야 하고, 그리고 (y。²)/r<S。와 같이 거리 y。만큼 축외(off-axis)에 위치하여야 하여야 한다는 것을, 그리고 (ii) 타켓을 위한 최적의 위치는 최소혼동원(circle of least confusion)으로 정의되는상의 포인트라는 것을 제시한 반면에, 더 심도있는 분석은 이 위에서 타켓의 위치는 미국 특허 제4,757,431에서 정의된 바와 같이 반드시 최적인것은 아니다. 이것의 정확한 위치는 광원의 특징, 반사기과/또는 타켓과 광원사이에 위치된 투과 렌즈(trasmissive optic)에 따라 결정된다. 이것은 또한 타켓에, 특히 광화이버에 있어서는 이것의 형태, 크기, 개구수(NA)와 축외(off-axis) 반사기에 비례하여 근위단에 광축에 비례하여 횡단면의 각에 따라 결정된다. 그런 까닭에, 본 발명은 타켓에서 전자기방사 플럭스의 집광과 집속을 증가시키고 향상시키는 광 시스템이다. 이것은 또한 타켓의 조명도를 증가시키고 향상시킨다. 타켓이 멀티모드 광화이버인 경우에는, 화이버는 전도된 광휘(radiant)를 무작위화 시키고 스크램블(scramble)시켜서 광수차와 광 메모리를 제거하는 활성 요소로 작용한다. 도5는 본 발명의 하나의 실시예의 동등한 시스템에 대하여 더 나아가서 예시하고 있다.

본 발명의 광 시스템은 광원, 타켓, 광학 구성요소에 있어서의 많은 변화로써 구성될 수 있기 때문에 주어진 타켓를 위해 최대로 집속할 수 있는 플럭스의 위치는 시스템의 구체적인 구성요소의 세트를 위한 최대 플럭스 밀도의 위치로 정의되고 또 최대 토탈 플럭스 밀도, 토탈 플럭스, 또는 이미지 포인트(최소 혼동원)의 위치와 일치하거나 일치하지 않을 수 있다. 이미지 포인트에 놓여진 타켓을 위해 본 발명은 종전 기술로 이룩될 수 있는 것과 비교되어 증가된 방사속(radiant flux)밀도의 광 이미지 시스템을 제공한다. 그럼에도 불구하고, 이 시스템은 이론적인 최대 집광 효율을 제공하기 위해 최대한 활용되지 않을 수 있다. 본 발명에 있어서의 타켓의 배치에 대한 최적의 위치는 타켓의 특징에 달려있고 또 아래와 같이 분류될 수 있다.

사례1 :

광원의 크기와 같거나 또는 광원의 크기 보다 큰 이미지 포인트(최소 혼동원)에 타켓이 놓인 경우를 위해 이 시스템은 대략 단위 배율을 가진다. 이런 경우에 화이버 광 타켓의 개구수가 축외(off-axis) 미러의 개구수와 같거나 또는 더 큰 경우라면 이 시스템은 전형적으로 최대한으로 활용된다.

사례2:

타켓이 광원보다 작은 경우를 위해 또는 사례1의 축외(off-axis) 미러의 개구수보다 더 작은 개구수를 가지는 화이버 광 타켓를 위해 사례1과는 다를 수 있는 타켓에서 집속할수 있는 플럭스 밀도를 최대한 활용할 수 있는 주어진 광원에 특유한 타원체(toroid)와 타켓이 존재한다. 그러므로, 사례2에서 설명된 타켓을 위해 주어진 광원을 위한 부합하는 최대활용된 타원체가 있다. 특별히 최대활용된 축외(off-axis) 환상 반사기을 가진 매치되지 않는 크기의 광원과 타켓을 가진 이들 시스템은 사례1에서와 같이 대략 동일한 단위 배율에서 상을 만들고 타켓은 이미지 포인트에 놓여진다.

사례3:

주어진 광원과 상술된 특징(예, 사례1과 2에서 논의된 바와 같이 화이버 광 타켓을 위한직경, 형태, 개구수)의 타켓을 위해 최대로 최적화된(optimized) 환상 반가영을 포함하는 실제적인 시스템를 위해서 최대로 활용된 타켓과는 다른 크기나 개구수를 가진 타켓으로 된 최대로 활용된 시스템의 사용은 광원에 비례하여 타켓과 반사기의 다른 위치를 필요로 할 수 있다. 사례3의 경우에, 시스템은 환상 반사기은 타켓의 수용각내에 최대 플럭스 밀도를 집중시키는 반사기 표면 부분의 위치를 최대로 활용하기 위해 전형적으로 Z-축을 따라 옮겨져서 광원에 적절하게 위치되어야 한다. 사례1과 2에 관하여, 타켓의 위치선정은 본질적으로 달라질 수 있고 반사기의 효율적인 개구수는 타켓의 개구수와 매치될 수 있다. 시스템의 유효한 광축은 또한 도4의 이상적인 배치와는 다를 수 있다.

사례3에 의해 특징지워진 시스템에서는, 광원의 특징에 따라 결정지어지는 주어진 타켓을 위해 유사한 집광가능한 플럭스 밀도를 가지는 포인트 위치가 존재할 수 있다. 아크 광원과 다른 유사한 확대된 광원인 경우에는 화이버 광 타켓에 의해 집속될 수 있는 인텐시티 칸튜어(intensity contour)의 부분은 타켓의 크기에 따라 타켓과 축외(off-axis)미러의 개구수에 따라 변할 것이다. 그러므로 타켓에 실제로 상이 맺히거나 집광되는 광원의 부분은 변한다. 작은 타켓의 경우는 비슷한 집속될 수 있는 플럭스 밀도를 달성하기 위해 포인트의 위치에 타켓이 놓이도록 하는, 타켓에 같은 집속가능한 플럭스 밀도를 생산하는 인텐시티 칸튜어(intensity contour)의 한 부분보다 더 많이 존재할 수 있다. 따라서 사례3에 있어서는, 시스템은 타켓에서 광원으로부터의 이미지 플럭스 밀도보다 오히려 집광된다고 한다. 주어진 타켓을 위해 유사한 플럭스 밀도의 포인트 위치가 존재하는 이런 경우에는 타켓의 크기는 항상 광원보다 작고 광원은 그것의 정상적인 크기를 넘어서 변하는 인텐시티 칸튜어(intensity contour)를 가질 것이다.

본 발명과 미국 특허 제 4,757,431에서는, 촛점, 이미지 포인트 또는 타켓의위치에서 광원의 방사속(radiant flux)의 감소는 1차적으로 축외(off-axis) 배치에 의한 y-방향에서 생성된 수차에서 의해 발생하게 된다. 2차적으로 아크 램프와 같은 유리 덮개를 포함하는 광원의 경우에는 수차는 유리 덮개 그 자체의 비구면 형태에 의해 생기게 된다. 미국 특허 제 4,757,431에서는 구형 반사기의 결함은 x-z 평면위로 광선의 투사가 반사기에 가깝게 집중되기 보다는 y-z 평면상으로 집중된다는 것이다. 지금의 발명은 y축을 따라 그것의 더 긴 곡률반경과 x축을 따라 더 짧은 곡률반경을 가지는 환상 표면의 대체라는 점에서 이 특허권의 기술을 개량한다. 반경에 있어서의 차이는 x-z 평면에서도 동시에 일어나게 하기 위해 재위치시킨 y-z평면에서 광선의 수렴이 생기게 된다. 이런 대체는 토탈 시스템 비점수차의 감소, 그것에 의해서 광 시스템의 집광력의 향상과 타켓에서의 집속할 수 있는 방사속(radiant flux)를 향상 모두에 의해 초점의 크기를 감소시킨다. 타켓이 최소혼동원(circle of least confusion)에 놓여지는 특별한 경우에 있어서, 환상 반사기은 본질적으로 이미지의 크기를 감소시킨다. 예로, 1mm 아크 갭으로부터, 각각 같은 개구수(NA)와 유효한 반경을 가진 구형 반사기과 환상 반사기으로부터 1 mm 직경 광 화이버에 의해 집속된 최대 획득할 수 있는 플럭스의 비교는 환상 반사기은 40%이상으로 최대 집속가능한 플럭스를 증가시킬 수 있다는 것을 보여주고 있다.

구형 반사기을 능가하는 환상 반사기의 다른 잇점은 이상적이지 않는 점 광원(예로, 비구형의 유리 덮개를 가진 확장된 광원)이 사용될 때 축외(off-axis) 배치에서 수차를 감소시키고 보상하는 점에서의 이것의 적응성이다. z축 주위로 환상 반사기을 회전시킴으로써, 이들 수차를 보상하는 것이 가능하고 그것에 의하여 광시스템에서 구성요소의 제조 오차허용도에 있어서의 실제적인 변화를 위해 적응하게 한다. 이 회전(rotation)은 x-z 와 y-z평면을 따라 곡률반경에 의해 정의되는 유효한 초점 길이를 조정하게 되어 그것에 의해서 전자기방사 플럭스 밀도를 최대 정도에까지 집광하게 한다. 따라서 환상 반사기의 회전은 시스템에서 특유한 수차를 보상하기 위해 타켓에서 플러스-밀도를 최대한 활용하게 한다.

앞에서 설명된 특허권을 넘어선 본 발명의 개선점 타켓의 변화하는 크기를 고려하여 타켓에서 플럭스 밀도를 최대한 활용하는 능력에 있다. 미국 특허 제 4,757,431에서 정의된 바와 같이 광원에 유사한 수치의 큰 타켓이 최대 플럭스를 위해 또는 최소 혼동원 가까이에 위치되는 반면에 작은 타켓은 위치될 수 없을 수 있다. 예로, 화이버 광타켓에서 최대 에너지를 집중시키기 위해 사용된 환상 반사기(r_1x=50 mm, r_1y=51.9 mm)의 특별한 경우에는 화이버의 위치에 있어서의 본질적인 차이점은 화이버 직경과 개구수에 따라 생기게 된다. 화이버-직경(1 mm)이 광원의 크기와 비슷하고 이것의 개구수가 반사기의 그것과 매치가 되면 미국 특허 제 4,757,431의 설명에 의해 밝힌 바와 같이 화이버는 최소혼동원 가까이에 위치한다. 반면에 개구수가 본질적으로 작으면 최대 집속 플럭스 밀도을 위한 이것의 위치는 0.5mm만큼 변할 수 있다. 두개의 화이버가 각각 광원의 크기와 비슷한 직경을 가지고 개구수에 있어서 대략 인자 2에 있어서 차이가 나는 경우에, 각각의 플럭스 밀도가 최대로되는 경우의 이것의 위치는 1.5mm 만큼다르다. 왜냐하면 최대 광도의 이미지 포인트는 반사기의 개구수와 광원의 광도 모두에 적절하게 광원에서 개구수가 최대로 활용되어야만 하는 플럭스 밀도의 각 분포에 달려있기 때문이다. 화이버의 크기 또는 광원의 크기에 적절한 위치에서 50μ이하의 작은 차이가 타켓을 관통하여 전달된 집속할 수 있는 플럭스에서는 측정할 수 있는 차이가 없음에도 불구하고 더 큰 전위(dislocation)은 명확히 측정할 수 있는 영향력을 가진다. 주어진 타켓에 따라 최대의 집속할 수 있는 플럭스 밀도의 위치를 찾기 위해 축외(off-axis) 환상 미러의 조정이 필요하다. 그러므로 매치되지 않는 광 시스템에서는 타켓과 반사기, 타겟의 위치는 주어진 광원에 따른 매치된 광 시스템의 그것과는 달라질 수 있다.

미국 특허 제 4,757,431은 집광과 집속 시스템은 개구수에 독립적이다라는 것을 제시하고 있다. 본 축외(off-axis) 집광 시스템은 최대 집속할 수 있는 플럭스 밀도에 도달하기 위해 매치되거나 적합하게 한 화이버 광 타켓의 개구수와 축외(off-axis) 반사기을 필요로 한다. 매치되지 않은 시스템에 있어서는, 반사기은 화이버 타켓에 의해 최대 집속 플럭스를 달성하기 위해 타켓의 구경보다 큰 구경을 가져야 한다. 전자기방사 방출 광원에 있어서는, 높은 개구수의 타켓과 반사기은 타켓에서 플럭스 밀도의 최대 집광에 이르는 최대 광학 그리고 집속 효율을 제공한다. 적합하게 된 시스템은 축외(off-axis) 반사기과 타켓 모두의 특징에 광원의 특징을 매칭시키는 것을 포함한다. 이것은 광원으로서 아크 램프나 가스 디스차지(discharge) 램프인 경우에 광도, 광원의 각 범위를 넘어선인텐시티 칸튜어(intensity contour)에 시스템의 광학 특징을 매치시키는 것을 포함한다. 축외(off-axis) 반사기과 타켓을 설명하는 주어진 어떠한 특징 세트의 경우에는 타켓에 최대로 결합될 수 있는 최고 광도의 광원을 생산하는 최적의 아크 크기와 유효한 개구수가 있다.

도4에서 나타난 본 발명의 이상적인 실시예에서, 광원(S。)과 타켓(T)은 초점과 동일한 거리에 시스템 광축으로 또한 정의된 환상 반사기, M1의 광축의 맞은편에 위치된다. y-z 평면은 광원, 타켓과 광축을 포함한다. 광원으로 아크 램프를 사용하는 특이한 경우에는(도5) x-축은 아크 갭의 전극으로 정의되는 광원의 세로축에 평행해야 한다고 한다. 광축을 포함하는 y-z 평면은 아크와 화이버 광 타켓을 포함하는 평면과 일치할 수도 있고 일치하지 않을 수도 있다. 때때로 β≠0 또는 γ≠0 또는 이 모두 즉, 아크, 반사기, 광 전도 렌즈와 광 화이버의 특징에 따라 결정되어지는 정확한 수치를 가지는 것이 바람직할 수 있다. 실제에 있어서, 집속가능한 플럭스와 시스템 효율은 아크 램프 광원과 화이버 특징의 광학 매칭을 달성하기 위해 또는 y-z 평면의 위 또는 아래에 타켓을 위치시키기 위해 광축의 평면을 β5° 그리고/또는 γ5°만큼 기울임으로써 5-10%가 증가될 수 있다.

본 발명의 실행을 위한 더 이상적인 변형은 광원을 포함하는 같은 외장(enclosure)내에서 축외(off-axis) 미러과 역반사기 모두를 수용하는 전기 아크 램프와 같은 광원의 구조를 필요로 한다. 화이버 광 타켓은 외장(enclosure)에 내측이나 외측에 위치할 수 있다. 그것이 내측에 있을 때는 화이버는 광원의 완전히 밀폐된 부속품의 일부분으로 끼워넣어지게 된다. 그것이 외측에 있을 때는 화이버 광 타켓(도8)의 최적 위치 근처에 놓여진 창 또는 화이버 광 커플링 메카니즘은 광원의 초점이 맞춰진 상을 화이버 광 타켓에 결합시키는데 사용된다. 이런 장치의시행은 축외(off-axis) 미러이 환상인가 또는 구형인가에 또 배치가 축외(off-axis)에 위치한 정도에 따라 결정될 것이다. 축외 배치가 최소화되는 경우에는 구형이나 환상 반사기의 시행은 유사할 것이다. 이런 구조는 짧은 아크 갭 램프와 관계된 비구면 유리 덮개에서 비롯되는 수차를 제거하게 된다. 따라서 환상의 설계뿐만 아니라 구형, 온-액시스(on-axis)역반사기을 또한 시행하게 될 것이다. 세라믹 외장(enclosure)로 구성된 램프와 같은 비구면 유리 덮개가 없는 아크 램프와 창들은 덮개에 의해 유발된 수차를 피할 수 있고 단일 외장(enclosure)에서 광원과 광을 엔크로징(enclosing)없는 이상적인 상태에 가깝게 시뮬레이트할 수 있다.

미국 특허 제 4,757,431은 구형 반사기의 사용은 y。²/r< S。라는 제한을 받게 된다는 것을 알려준다. 이 제한은 실제에 있어서 덮개에 인접한 최소 축외(off-axis) 거리에 위치된 타켓을 필요로 함으로써 시스템의 물리적인 설계를 제한한다. 대조적으로 환상 반사기의 반경(r_1x와 r_1y)은 선택될 수 있어서 y。²/r값에 대한 이런 제한은 상당히 완화된다. 이것은 광원/광원 덮개와 타켓사이의 부가적인 공간을 허용한다. 부가공간은 덮개에 의한 초점의 잠재적인 방해를 제거하고 광 요소(예, 필터, 수정 기울임 플레이트, 렌즈 등)또는 기계적 요소(예, 셔트, 아이리스 등)의 배치가 타켓에 방사속(radiant flux)밀도를 약화시키고, 조절하고/또는 여과하는 것을 허용한다. 앞전에 설명한 특허권의 바람직한 실시예에 있어서, r50 mm 과 S。1인 구형 반사기으로 최대 집속할 수 있는 플럭스를 얻기 위해서 y。는7mm보다 터 크기않도록 제한된다. 최대 덮개 직경은 y。²/r< S。이어야 한다는 강제와 축외(off-axis) 거리가 최소화되어야 한다는 모두에 일치하는 4y。이기 때문에 미국 특허 제 4,757,431에 의해 필요로하는 램프 덮개의 최대 직경은 28mm 이다. 실제로는 이것은 광화이버를 덮개에 인접하여 배치한다. 환상 반사기을 r_1x=50 mm 과 r_1y=51.9 으로, 1 mm 광 화이버를 적절한 위치로의 치환은 y。=10 mm 이고, 화이버 광 타켓에서 토탈 집속된 에너지는 미국 특허 제 4,757,431에 의해 제시된 비교할 수 있는 50 mm 직경 구형 반사기으로부터 달성될 수 있는 것보다 40% 더 크다. 그런 까닭에, 본 발명은 곡률 반경에 의해 나누어진 축외(off-axis) 거리의 제곱은 전자기방사의 광원의 범위의 크기와 같거나 작다.( y。²/rS。)

대부분의 아크들은 대칭이 아니고 그들의 x와 y 수치가 다르기 때문에 집속된 전자기방사에서 10%에 가까운 향상은 횡단면이 타원형을 닮은 각에 원통형 광 화이버를 닦음으로써 실현될 수 있다. 정상에서 광축까지 화이버의 근위단의 각을 변화시킴으로써 화이버 광 타켓의 세로축은 집속할 수 있는 밀도와 전자기방사 또는 타켓의 조명도를 최대화하기 위해 주축으로 회전하거나 또는 선회할 수 있다.

여기선 설명된 기초적인 광학 배치는 제2 오목 반사기 M2(즉, 역반사기)을 포함하기 위해 확장될 수 있다. 이 역반사기은 광원으로부터와 광원을 관통하여 되돌아 환상 반사기으로의 반사와 역 집광을 위해 광우너의 뒤에 위치된다. 오목 반사기은 구형이거나 또는 환상이 될 수 있다. 오목 역반사기와 같은 것의 사용에 있어 집속할 수 있는 플럭스의 향상은 광원, 광원 덮개, 축외(off-axis) 환상 반사기과 타켓의 특징에 달려 있고 10%에서 75% 까지의 변화가 있다. 집속할 수 있는 방사속(radiant flux)와 시스템 효율 모두를 최대화시키는 시스템을 생산하기 위해 역반사기은 환상 반사기과 타켓뿐만 아니라 광원과 그것의 유리 덮개(존재한다면)에 광학적으로 매치되어야 한다. 환상 설계는 유리 덮개를 가지는 외장(enclosure) 광원에 유수하다. 왜냐하면 이들은 비구면 덮개에 의해 발생하는 비점수차의 감소를 용이하게 하기 때문이다. 이 비점수차의 수정은 구형 역반사기보다 20% 집속된 총 전자기방사 플럭스의 향상을 가져올 수 있다. 도8에서 대략적으로 나타낸 것과 같이 완비된(self-contained)시스템은 타켓에 따라 구형또는 환상 역반사기으로 적절하게 될 수 있었다.

여기서 설명된 광학 배치는 멀티플 축외(off-axis) 반사기(종전에 설명된 미국 특허 4,757,431에서 논의되었다), 멀티플 역반사기과 멀티플 타켓을 포함하기 위해 확장될 수 있다. 역반사기 M2 없는 도4의 광 시스템은 토탈 4개의 축외(off-axis) 역반사기과 4개의 타켓을 조절할 수 있었다. 제2 반사기 M2의 포함은 도7에서 나타낸 바와 같이 시스템을 2개의 축외(off-axis) 반사기과 2개의 타켓으로 변형시킨다. 도8은 도7의 반사기 M2의 단일 반구에 가까운 역반사기으로 변형된다는 것을 보여준다. 4개의 축외(off-axis) 반사기의 경우에는 각 반사기은90가 넘는 견고한 각의 광원으로부터 전자기방사를 집속할 수 있다. 2개의 축외(off-axis) 반사기의 경우에는 각 반사기은 광원으로부터90가 넘게 견고한 각을 집속할수 있고 반가경 M2의 쌍 또는 도9의 단일 역반사기은 광원을 지나 뒤에서90도는180가 넘는 견고한 각으로 빛을 집중시킨다. 도8은 두개의 반사기과 광원이 모여 그리고 실질적으로 하나의 완비된(self-conatained) 단위로 제조되는 도4에서 광학 배치의 변형을 보여준다. 실제에 있어서, 타켓을 창 또는 화이버 광 용구을 통하여 집광된 플럭스 밀도에 결합시키기 위해 축외(off-axis) 미러과 역반사기의 어떤 콤비네이션은 하나의 완비된(self-conatained) 단위로 제조될 수 있었다. 4개이상의 타켓을 필요로 하는 출원의 경우 축외(off-axis) 미러의 수가 4개를 넘어 증가될 수 있음에도 불구하고 실제에 있어서는 이런 광학 시스템은 타켓에서 집속할 수 있는 플럭스 밀도를 최대화하지는 않는다.

Claims (49)

1. (a) 고감도의 발산, 광대역 및 비간섭성의 전자기방사의 광원과;

   (b) 상기 광원에 실제로 트로이달형 반사 요면고 축을 가지는 전자기방사 반사기 및;

   (c) 상기 광원에 의해 제공되고, 상기 반사기에 의해 집속되며, 반사기으로부터 반사된 전자기방사를 집속하기 위해 위치설정된 광화이버 타켓을 포함하고

   상기 토로이달형 반사면은 개별 제1 및 제2 직교평면에서의 제1 및 제2 곡률반경을 구비하고, 제1 곡률반경을 가지는 상기 제2 곡률반경보다 더 큰 상기 광원은 상기 반사기의 곡률중심 근처에 위치하고 상기 반사기의 축으로부터 측방으로 일정거리 오프셋되고, 상기 제1 곡률반경에 대한 상기 거리 제곱의 비는 상기 범위와 동일하거나 또는 더 작은 것을 특징으로하는 시스템.
2. 좁은 영역내에서 가능한 한 많은 전자기방사 플럭스를 가지는 고광도의 조명원을 제공하기 위해 전자기방사를 집광, 집중 및 집속하기 위한 시스템에 있어서,

   (a) 제1 주광축과, 제1 평면에서의 제1 곡률반경과 상기 제1 평면에 직교하는 제2 평면에서의 제2 곡률반경에 의해 구획된 제1 트로이달형의 오목 반사 표면을 구비하는, 상기 제1 주 반사기의 제2 곡률반경은 균등하지 않는 제1 주 전자기방사 반사기와,

   (b) 일정 범위를 가지며, 상기 제1 주반사기의 곡률중심 근처에 위치되고,제일 주반사기로부터 반사시 상기 제1 평면에서 외측으로 상기 제1 주광축으로부터 제2의 축외거리만큼 오프셋된 제1 이미지 포인트에서 상기 광원으 초점 맞춤된 이미지를 제공하도록 제1 주광축으로부터 제1, 축외거리로 상기 제1 평면에서 측방으로 오프셋되어 위치되며, 상기 제1 주반사경의 제1 곡률반지름에 대한 제1 축외거리의 제곱의 비율은 광원의 범위와 동일하거나 또는 더 작은 전자기방사의 광원과; 및,

   (c) 최대한 집광할 수 있는 플럭스 밀도를 갖는 포인트 근처에 위치되고, 최대한 집광될 수 있는 플럭스 밀도의 상기 포인트의 위치는 상기 제1 주반사기의 제1 및 제2 곡률반경의 함수인 타켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
3. 제2항에 있어서, 제1 주반사기의 상기 제2 곡률반경은 상기 타켓에 대하여 상기 광원에 최대 집광가능한 플럭스 밀도를 제공하도록하기 위해 선택되는 것을 특징으로하는 시스템.
4. 제2항에 있어서, 상기 최대 집광가능한 플럭스 밀도는 단일의 곡률반경을 갖는 구형 반사 표면을 가지는 구형 시스템의 최대 집광가능한 플럭스 밀도를 초과하되 제2항의 시스템과는 동일한 것을 특징으로하는 시스템.
5. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 축외 거리는 구형 반사기을 가지는 구형 시스템의 축외거리보다 더 크게 되도록 선택되고 제2항의 시스템과 같이 최대 집광가능한 플럭스 밀도를 갖는 포인트에서 동일한 플럭스 밀도로 상처리하되, 제2항의 시스템과 동일하게되는 것을 특징으로 하는 시스템.
6. 제2항에 있어서, 상기 제1 주반사기의 제1 및 제2 곡률반경 사이의 차이점은 최소화되고, 상기 제1 주반사기의 제2 곡률반경은 상기 타켓을 위해 달성가능한 최대 집광가능한 플럭스 밀도를 제공하기 위해 선택되는 것을 특징으로 하는 시스템.
7. 제2항에 있어서, 제1 주반사기의 제2 곡률반경은 상기 광원의 크기, 휘도, 개구수와 광학수차에 기초하여 상기 타켓에서 집광가능한 플럭스 밀도를 최대화하는 상기 포인트를 제공하기 위해 선택되는 것을 특징으로 하는 시스템.
8. 제7항에 있어서, 상기 제1 주반사기의 제2 곡률반경은 광원 인클로저(enclouser)에 기인한 생긴 광원의 수차를 보정하기 위해 선택되는 것을 특징으로 하는 시스템.
9. 제2항에 있어서, 제1 주반사기의 상기 제2 곡률반경은 상기 타켓에서 상기 타켓의 크기, 형태 및 축외 변위에 의거하여 집광가능한 플럭스 밀도를 최대화하는 상기 포인트를 제공하기 위해 선택되는 것을 특징으로 하는 시스템.
10. 제2항에 있어서, 제1 주반사기의 상기 제2 곡률반경은 대략적으로 상기 광원과 크기가 같은 상기 타켓에서 상기 광원의 상을 제공하기 위해 선택되는 것을 특징으로 하는 시스템.
11. 제2항에 있어서, 상기 타켓은 실제로 제1 이미지 포인트와 일치하는 플럭스 밀도를 최대화하는 상기 포인트에 위치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
12. 제2항에 있어서, 상기 타켓은 집광가능한 플럭스 밀도를 최대화하는 포인트 근처에 위치설정된 집광단을 가지는 광화이버 타켓인 것을 특징으로 하는 시스템.
13. 제2항에 있어서, 제2광축과, 제1 곡률반경과 제2 곡률반경에 의해 구획되는 반사표면을 가지는 제2 전기기방사 반사기을 추가로 포함하고, 상기 제2 반사표면은, 상기 광원 사이에서 전자기 방사를 반사하고, 상기 타켓에 대하여 유속 밀도를 최대화하는 포인트를 제공하도록, 상기 제1 주반사기에 대하여 상기 광원의 후방에 배치된 것을 특징으로 하는 시스템.
14. 제13항에 있어서, 상기 제2 반사기의 상기 제2 곡률반경은 상기 광원의 크기, 휘도, 개구수와 광수차에 의거하여 플럭스 밀도를 최대화하는 상기 포인트를 제공하기 위해 선택되는 것을 특징으로 하는 시스템.
15. 제13항에 있어서, 상기 광원의 크기와 대략적으로 같은 크기인 상기 광원의 이미지를 제공하기 위해 선택되고, 상기 광원의 이미지는 상기 제2 반사기의 제2 곡률반경은 상기 광원과 실제로 일치하는 것을 특징으로 하는 시스템.
16. 제13항에 있어서, 상기 제2 반사기의 제1 및 제2 곡률반경은 반사기의 반사표면이 구형이도록, 동일한 것을 특징으로 하는 시스템.
17. 제14항에 있어서, 상기 제2 반사기의 제2 곡률반경은 광원 인클로저에 의해 생긴 광수차를 보정하기 위해 선택되는 것을 특징으로 하는 시스템.
18. 제2항에 있어서, 전자기방사의 광원은 전기 AC 아크 램프, 전기 DC 램프, 가스 디스차지 램프, 필라멘트 램프, 발광 다이오드와 반도체 레이저를 포함하는 그룹으로부터 선택된 광원으로 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
19. 제2항에 있어서, 상기 타켓에 초점맞춤된 상의 초점을 향상시키기 위해 상기 제1 주반사기과 상기 타켓사이에 위치된 보정 광학기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
20. 제2항에 있어서, 상기 타켓은 제1 이미지 포인트 부근에 위치된 그이 집광단을 가지는 제1 광화이버 타켓을 구비하고,

    제2 주광축과, 곡률의 중심을 갖는 제2 트로이달 오목 반사 표면을 가지느 제2 주전자기방사 반사기를 추가로 포함하고,

    상기 전자기방사 반사기는 제1 및 제2 광축의 교점 근방에 위치되데, 제4의 축외 거리로 상기 제2 주광축으로부터 오프셋된 제2 상포인트에서와 제1 상포인트에서 상기 광원의 광을 초점 맞춤 및 집광하도록 상기 교점으로부터의 제3의 교점외 거리로 오프셋된 광원과, 상기 제2 상포인트 근방에 위치된 그의 집속단을 가지는 제2 광하이버 타켓을 구비하고,

    상기 제1 상포인트는 상기 제1 주광축에 대하여 상기 광원 반대측에 위치되고, 상기 제2 상포인트는 상기 제2 주광축에 대하여 상기 광원의 반대편에 위치되는 것을 특징으로 하는 시스템.
21. 제20항에 있어서, 상기 제1 및 제2 주반사기은 단일 반사기으로 제작되는 것을 특징으로 하는 시스템.
22. 제20항에 있어서, 본질상 광원과 일치하는 광원의 제1 및 제2 이미지를 형성하도록 광원으로 부터 오는 빛과 광원을 통과하여 되돌아오는 빛을 반사하기 위해 제1 및 제2 주반사기에 대하여 광원의 뒤에 위치하는 오목 제1 및 제2 보조 역반사기을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
23. 제22항에 있어서, 광원, 제1 및 제2 주반사기과 제1 및 제2 보조 역반사기은본질적으로 단일 인클로저 내에 일체로 제조되어 장치되고, 상기 제1 및 제2 광화이버 타켓에 커플링되는 것을 특징으로 하는 시스템.
24. 좁은 영역내에서 가능한 한 많은 전자기방사 플럭스를 가지는 조도를 위해 고광도의 광원을 제공하기 위해 전자기방사를 집중, 집광 및 집속하기 위한 시스템에 있어서,

    (a) 광축과, 제1 평면에서의 제1 곡률반경과 상기 제1 평면에 직교하는 제2 평면에서의 제2 곡률반경에 의해 구획된 제1 토로이드상 반사 표면의 일부를 가지고, 상기 제1 곡률반경과 상기 제1 주반사기의 제2 곡률반경은 동일하지 않는 제1 주 전자기방사 반사기와;

    (b) 일정범위를 가지고 발산성 및 광대역의, 비간섭성 광을 제공하고, 덮개에 의해 둘러싸이고, 상기 제1 평면에서 상기 광축으로부터 제2, 축외거리만큼 좌측으로 오프셋된 이미지 포인트에서 상기 반사기로부터의 반사시 상기 광원의 초점 맞춤된 상을 제공하기 위해 상기 반사기의 곡률중심근처에 위치되되, 상기 제1 평면에서 측방으로 오프셋된 상기 반사기의 광축으로부터 제1, 축외거리 만큼 오프셋 위치되며, 상기 주반사기과 제1 곡률반경에 대한 상기 제1, 축외거리의 제곱에 대한 비는 광원의 범위와 동일하거나 또는 이보다 더 작은 광원;

    (c) 세로축과 최대로 집광할 수 있는 플럭스 밀도의 포인트 부근에 위치된 집광단을 가지고, 상기 최대 집광할 수 있는 플럭스 밀도의 위치는 상기 주반사기의 제1 및 제2 곡률반경의 함수인 광화이버 타켓을 포함하는 것을 특징으로 하는시스템.
25. 제24항에 있어서, 상기 주반사기의 제1 및 제2 곡률반경은 플럭스 밀도를 최대화하는 상기 포인트의 위치가 상기 덮개의 외부에서 달성되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 시스템.
26. 제24항에 있어서, 상기 주반사기의 상기 제2 곡률반경은 상기 광화이버 타켓에 대하여 상기 광원을 위해 최대 집광가능한 플럭스 밀도를 제공하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 시스템.
27. 제24항에 있어서, 상기 주반사기의 제1 및 제2 곡률반경사이의 차이가 최소화되고, 또 상기 주반사기의 제2 곡률반경은 상기 광화이버 타켓을 위해 최대 집광가능한 플럭스 밀도를 제공하도록 선택되어지는 것을 특징으로 하는 시스템.
28. 제24항에 있어서, 주 반사기의 상기 제2 곡률반경은 상기 광원의 크기, 휘도, 개구수와 광수차에 의거하여 상기 광화이버 타켓에 최대 집광가능한 플럭스 밀도의 상기 포인트를 제공하기 위해 선택되어지는 것을 특징으로 하는 시스템.
29. 제24항에 있어서, 주반사기의 상기 제2 곡률반경은 상기 광화이버의 크기, 형태, 개구수와 축외변위에 기초를 둔 상기 타켓에서 최대 집광가능한 플럭스 밀도의 상기 포인트를 제공하기 위해 선택되어지는 것을 특징으로 하는 시스템.
30. 제24항에 있어서, 상기 광화이버 타켓은 개구수를 가지고 상기 광화이버 타켓의 개구수는 상기 광원과 상기 반사기의 유효한 개구수보다 더 크지 않고 또 여기의 상기 광화이버 타켓은 상기 주반사기의 이미지 포인트로부터 오프셋되어 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
31. 제24항에 있어서, 상기 광화이버 타켓은 최대 플럭스 밀도의 상기 포인트에 위치해 있는데 이것은 본질상 이미지 포인트와 일치하는 것을 특징으로 하는 시스템.
32. 제24항에 있어서, 상기 덮개는 세로축을 가지고 있고 상기 덮개의 세로축은 타켓에서 플럭스 밀도를 증가시키기 위해 상기 제1 평면에 수직으로 적절하게 기울여지는 것을 특징으로 하는 시스템.
33. 제24항에 있어서, 상기 반사기은 타켓에서 플럭스 밀도를 증가시키기 위해 상기 제1 평면에 적절하게 앵글에서 기울여지는 것을 특징으로 하는 시스템.
34. 제24항에 있어서, 상기 광화이버 타켓의 집광단을 상기 광화이버 타켓에 의해 집광된 양을 최대화시키기 위해 또 상기 덮개와 상기 주반사기에 의해 생긴 광수차를 수정하기 위해 선택된 앵글에서닦는것을 특징으로 하는 시스템.
35. 제34항에 있어서, 상기 집광단은 상기 광화이버 타켓의 세로축에 수직인 것을 특징으로 하는 시스템.
36. 제24항에 있어서, 상기 광화이버 타켓이 광화이버 다발의 복수와 함께 포함되는 것을 특징으로 하는 시스템.
37. 제24항에 있어서, 상기 광화이버 타켓에 상기 초점이 맞쳐진 이미지의 포커스를 향상시키기 위해 상기 주반사기과 상기 광화이버 타켓사이에 배치된 보정 광학기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
38. 제24항에 있어서, 상기 보조 반사 표면은 상기 광원으로부터 오는 빛과 광원을 통과하여 되돌아오는 빛을 반사하기 위하여 또 상기 광화이버 타켓을 위해 최대 플럭스 밀도의 포인트를 제공하기 위해 상기 주반사기에 관하여 상기 광원 뒤에 배치되고; 보조 광축과 제1 곡률반경과 제2 곡률반경에 의해 구획된 보조 반사표면을 가지는 보조 광반사기을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
39. 제38항에 있어서, 상기 보조 반사기의 제2 곡률반경은 상기 광원의 크기, 휘도, 개구수와 수차에 기초한 최대 플럭스 밀도의 상기 포인트를 제공하기 위해 선택되는 것을 특징으로 하는 시스템.
40. 제38항에 있어서, 상기 보조 반사기의 제2 곡률반경은 상기 광원과 본질상 일치하고 상기 광원과 대략적으로 크기가 같은 상기 광원의 이미지를 제공하기 위해 선택되는 것을 특징으로 하는 시스템.
41. 제38항에 있어서, 상기 보조 반사기의 제1 및 제2 곡률반경은 동일하여 보조 반사 표면은 구형인 것을 특징으로 하는 시스템.
42. 제2항에 있어서, 상기 제2, 축외거리가 본질상 제1, 축외거리와 같은 것을 특징으로 하는 시스템.
43. 제24항에 있어서, 상기 제2, 축외거리가 본질상 상기 제1, 축외거리와 같은 것을 특징으로 하는 시스템.
44. 제16항에 있어서, 보조 반사표면의 제1 및 제2 곡률반경이 같지 않는 것을 특징으로 하는 시스템.
45. 제38항에 있어서, 보조 반사표면의 제1 및 제2 곡률반경이 같지 않는 시스템.
46. 제2항에 있어서, 상기 구형 시스템은 단일 곡률반경을 가진 구형 반사표면을 가지고, 상기 구형 시스템을 위한 광원의 범위에 대한 상기 구형 시스템을 위한 축외거리의 제곱의 비는 상기 구형 시스템의 단일 곡률반경보다 작은, 최대화된 집광가능한 플럭스 밀도가 구형 시스템의 최대화된 집광가능한 플럭스 밀도를 능가하는 시스템.
47. 제2항에 있어서, 상기 구형 시스템은 구형 표면을 가지는 반사기을 포함하는, 상기 제1 주반사기의 제1 곡률반경이 구형 시스템의 단일 곡률반경과 같은 유효한 반경인 시스템.
48. 제2항에 있어서, 상기 구형 시스템은 구형 표면을 가지는 반사기을 포함하는, 상기 제1 주반사기의 제1 곡률반경이 구형 시스템의 단일 곡률반경보다 작은 유효한 반경인 시스템.
49. 제2항에 있어서,제1 주반사기의 상기 제1 곡률반경이 제1 주반사기의 제잉 곡률반경보다 더 큰 시스템.