KR20030028459A - 이중 타원형 반사기를 사용하여 광원으로부터 타겟으로광을 커플링시키는 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

집속 및 수집 광학 시스템은 제 1 반사기와 제 2 반사기를 포함한다. 제 1 및 제 2 반사기는 2개의 초점과 광축을 갖는 타원형 회전면의 부분을 포함한다. 전자기 복사의 소스는 제 1 반사기의 제 2 초점에서 수렴하는 복사를 생성시키도록 제 1 반사기의 초점중 하나에 위치된다. 반사기들의 제 2 초점은 일치한다. 제 2 반사기는 복사가 제 2 반사기의 제 2 초점을 통과한 이후 복사를 수신하도록 위치되어 있으며 복사를 제 2 반사기의 제 1 초점에 위치된 타겟쪽으로 초점맞춘다. 타겟에서 최대 조명을 달성하기 위해서, 제 1 및 제 2 반사기는 대체로 동일 사이즈 및 형상이며, 제 1 타원형 반사기의 표면 부분으로부터 반사된 복사가 이후 소스와 그 초점맞춰진 이미지 사이에서 단위 배율을 달성하도록 제 2 타원형 반사기의 부합하는 표면 부분으로부터 반사되도록 서로 광학적 대칭으로 위치되어 있다. 타원형 반사기들은 비-타원형 부분을 포함할 수 있으며 또는 대략 구형 또는 토로이달 반사기일 수 있다.

Description

이중 타원형 반사기를 사용하여 광원으로부터 타겟으로 광을 커플링시키는 장치 및 방법{COUPLING OF LIGHT FROM A LIGHT SOURCE TO A TARGET USING DUAL ELLIPSOIDAL REFLECTORS}
광학 수집 및 집속 시스템은 광원, 이를 테면 광(light) 전구로부터 광 에너지를 수신하고, 그 광 에너지를 타겟으로 향하게 하는 다양한 광학 엘리먼트, 이를 테면 반사기와 렌즈들을 포함한다. 특히, 광학 시스템은 전자기 복사를 수집 및 집속시켜 광 에너지를 표준 웨이브가이드, 이를 테면 단일 화이버 또는 화이버 번들로 커플링시키거나 광 에너지를 프로젝터의 균질화기로 출력한다. 광학 시스템의 기능적 목적은 타겟에서의 전자기 복사의 휘도(brightness)(즉, 플럭스 강도)를 최대로하는 것이다.
광원으로부터 광을 수집 및 집속시키기 위한 광학 시스템은 일반적으로 "축상(on-axis)" 또는 "축외(off-axis)"로 분류된다. 축상 시스템에서, 반사기는 광원과 타겟 사이의 광축에 위치된다. 도 1은 이미징 렌즈를 지닌 파라볼로이드 반사기를 사용하는 공지된 축상 광학 시스템을 도시한다. 파라볼로이드 반사기는 대체로 초점으로부터 발산하는 광 에너지가 광축에 평행 이동하도록 시준되는 특징으로 갖는다. 도 1의 광학 시스템은 광원을 초점에 위치시킴으로써 광을 광원으로부터 시준하기 위해서 파라볼로이드 반사기의 이러한 특징을 사용한다. 광학 스트림에 위치된 집속 렌즈들은 대체로 시준된 광 에너지를 수신하고 광 에너지를 타겟으로 재지향하게 한다. 이러한 방식에서, 광 에너지는 타겟에서 수집 및 집속된다. 파라볼로이드 반사기의 사용은 다양한 광학 필터들의 사용을 허용하여 광학 시스템의 성능과 내구성을 개선시킨다. 그러나, 광의 분산은, 광선들이 최대 분산을 갖는 광축 근처에서 이동하므로, 반사기를 따라서 지속적으로 변동한다. 결국, 시스템의 배율은 광원으로부터 방사된 광에 의해 취하여지는 상이한 경로에 따라 변동하여, 시스템의 휘도 저하를 유발시킨다. 게다가, 초점 렌즈는 완벽한 조건하에서 조차 왜곡된 이미지를 생성시키고 실제 작동하에서 통상적으로 이미지 사이즈를 사실상 증가시키고 타겟에서의 플럭스 강도를 감소시키는 몹시 이탈된 이미지를 생성시킨다.
도 2는 또 다른 축상 광학 시스템을 도시한다. 이 시스템은 타원형 반사기를 사용하며, 이는 초점으로부터 발산하는 모든 광이 제 2 초점으로 향하게 되는 특징을 갖는다. 도 2의 광학 시스템은 제 1 초점에 위치된 광원과 제 2 초점에 위치된 타겟을 지닌 타원형 반사기를 사용한다. 종래 시스템에서 처럼, 축상 타원형 시스템은, 광선이 최대 분산을 가지며 광축 부근을 이동하므로, 광의 분산이 반사기를 따라서 지속적으로 변동하기 때문에 야기된 휘도 저하를 겪게 된다.
전반적으로, 축상 시스템은 일반적으로 커플링시에 휘도를 손실하는 기본적인 제한을 겪으므로, 광학 조명 및 투영 시스템의 전반적인 효율을 저하시킨다. 특히, 반사된 빔의 분산은 공지된 축상 시스템에서 복사원으로부터의 복사각에 바람직하지 않게 좌우된다. 게다가, 축상 시스템의 출력들은 대체로 원형 및 대칭이므로, 투영에 사용하기 위한 직사각형 균질화기와 같은 비-원형 타겟에는 적합하지 않다.
축외 광학 수집 시스템에서, 반사기들은 광원과 타겟 사이의 광축을 벗어나 위치되어 있다. 예를 들면, 도 3은 광원이 역-반사기의 초점에 위치되고 타겟이 1차 반사기의 초점에 위치되지만, 그 반사기들이 광원과 타겟 사이의 광축을 벗어나 위치되는 광학 시스템을 도시한다. 도시된 광학 시스템에서, 광원으로부터의 광 에너지는 역-반사기로부터 반사되며 1차 반사기로 이동한다. 그후 광학 에너지는 1차 반사기로부터 반사하며 타겟에서 수렴한다.
도 3의 축외 시스템에서, 그 배율은 시스템의 수치 구경이 작을 때 광의 모든 각도에 대해 1 대 1에 가깝다. 그 시스템이 더 높은 수치 구경을 갖는 미러를 사용할 때(예를 들면, 동일 광원으로부터 더 많은 광 에너지를 수집하고자 시도할 때), 더 큰 광 광선이 높은 분산각으로 반사되어, 그 배율이 1 대 1을 벗어나게 한다. 게다가, 그 배율은 타겟에서의 휘도를 감소시키고 전반적으로 광학 시스템의 성능을 감소시킨다. 배율에서 편향의 양은 미러의 사이즈, 만곡 반경, 및 아크(arc) 램프와 타겟의 거리에 좌우한다. 따라서, 도 3의 축외 구성은 더 작은 수치 구경을 사용하는 활용에 적합하다.
상이한 축외 광학 시스템들이 또한 공지되어 있다. 예를 들면, 미국 특허 제4,757,431 호(이하 "특허 '431"이라 함)는 작은 타겟을 조명하는 최대 플럭스 강도와 작은 타겟에 의해 수집 가능한 플럭스 강도의 양을 향상시키는 축외 구형 오목 반사기를 사용하는 집속 및 수집 시스템을 제공한다. 특허 '431의 광학 시스템의 향상은 미국 특허 제 5,414,600 호(이하 "특허 '600"이라 함)에 의해 제공되며, 이 특허에서 축외 오목 반사기는 토로이드(toroid)이다. 특허 '634에 기술된 토로이드형 시스템은 비점수차(stigmatism)를 정정하며, 특허 '600의 타원형 시스템은 특허 '431의 구형 반사기보다는 더 정확한 커플링을 제공하지만, 각각의 시스템들은 높은 만곡 반사 표면상에 광학 코팅의 도포를 필요로하며, 이는 더 비싸고 균일한 두께로 도포하기 어렵다.
전반적으로, 공지된 축외 광학 시스템들은 타겟에서 일반적으로 거의 1 대 1(즉, 배율 없음) 이미지의 광원을 제공하며 휘도를 보존한다. 그러나, 공지된 축외 시스템들에 있어서, 배율은 반사기의 수집각을 증가시킴에 따라 수집되는 광량이 증가되므로 1 대 1을 벗어나게 된다. 그러므로, 광원으로부터 광 에너지의 대부분은 광학 강도를 증가시키기 위해 수집되므로, 광학 시스템의 전반적인 성능은 저하된다.
공지된 광학 수집 및 집속 시스템의 문제점들을 처리하기 위해서, 미국 특허출원 제 09/604,921 호는 다른 공지된 시스템들에 대하여 이로운 축상, 이중-파라볼로이드 반사기 시스템을 제공하며, 작은-사이즈의 광원에 대해 거의 1 대 1 배율을 달성을 포함한다. 이러한 광학 수집 및 집속 시스템은, 도 4에 도시된 것처럼, 일반적으로 제 1 반사기로부터 반사된 광이 제 2 반사기의 해당 섹션에서 수신되도록 위치된 2개의 대칭 파라볼로이드 반사기들을 사용한다. 특히, 광원으로부터 반사된 광은 제 1 파라볼라 반사기에 의해 수집되고 제 2 반사기쪽으로 광축을 따라 시준된다. 제 2 반사기는 광의 시준된 빔을 수신하고 이 광을 초점에 위치된 타겟에서 초점맞춘다.
이러한 광학 시스템의 설명을 용이하게 하기 위해서, 도 4는 광원으로부터 방사된 3개의 서로 다른 광선(a, b 및 c)에 대한 광 경로를 포함한다. 광선 a는 제 1 파라볼라 반사기를 교차하기 이전에 상당히 적은 거리를 이동하지만, 광선 a의 분기는 제 1 파라볼라 반사기에서 상대적으로 크다. 대조적으로, 광선 c는 광원과 제 1 파라볼라 반사기 사이를 더 이동하지만 제 1 반사기에서 상대적으로 더 작은 분기를 갖는다. 광선 a와 c사이에 위치된 광선 b는 제 1 파라볼라 반사기를 교차하기 이전에 중거리를 이동하며 중간정도의 분기를 갖는다. 이러한 광학 시스템에 있어서, 2개의 파라볼라 반사기의 대칭으로 인하여, 광선 a, b 및 c는 제 2 파라볼라 반사기의 해당 위치에서 반사되므로 제 2 파라볼라 반사기와 타겟 사이의 각 광선에 대한 거리는 광원과 제 1 파라볼라 반사기 사이의 거리처럼 동일하다. 이러한 방식에서, 제 2 반사기는 상기 분기를 상쇄시킨다. 결국, 광학 시스템들은 광원으로부터 광 에너지를 거의 1 대 1 배율로 수집 및 집속시키며 광원의 휘도를 보존한다.
도 4의 광학 시스템은 제 1 파라볼라 반사기로부터 멀어지는 방향으로 광원에 의해 방사된 복사를 획득하고 그 획득된 복사를 광원을 통하여 반사시키기 위해 제 1 파라볼라 반사기와 함께 역-반사기를 더 사용한다. 특히, 역-반사기는 이로부터 반사된 시준된 광선들의 강도를 증가시키기 위해 제 1 파라볼라 반사기 쪽으로 대체로 거의 광원(즉, 제 1 파라볼라 반사기의 초점)에 위치되는 초점을 갖는 구형 형상을 일반적으로 갖는다.
상기된 축상, 이중-파라볼로이드 광학 시스템에서 한가지 결점은 광원이 반사기의 정점 측면에 매우 근접하기 때문에 발생한다. 결국, 시스템은 광원 근처에서(즉, 광선 a에 유사한 경로를 따라) 큰 각도의 분기를 야기한다. 특히, 큰 각도의 분기는 광선 a에 유사한 경로를 따라 이동하는 광 에너지가 제 2 파라볼라 반사기 상에 상대적으로 더 큰 영역을 에워싸게 하므로, 불필요한 수차(aberration)와 휘도의 손실을 야기한다.
공지된 광학 수집 및 집속 시스템의 이러한 결점들 때문에, 작은 광원으로부터 조명 및 투영 시스템으로 광을 커플링시키는 개선된 방법 및 시스템에 대한 필요성이 남아있다.
발명의 개요
상기된 필요성들 응하여, 본 발명은 개선된 수집 및 집속 시스템을 제공한다. 전자기 복사를 수집 및 집속시키기 위한 개선된 시스템은 소스 이미지와 타겟에서의 초점 이미지간에 단위 배율, 또는 단위에 가까운 배율을 달성함으로써, 타겟에서 최대 초점 강도를 야기하는 대향 반사기들을 사용한다. 특히, 본 발명은 전자기 복사의 소스로부터의 전자기 복사를 수집하고 그 수집된 복사를 타겟에 초점맞추기 위한 광학 장치에 관한 것으로, 소스에 의해 방사된 전자기 복사의 적어도 일부분으로 조명된다. 장치는 제 1 및 제 2 반사기를 포함하며, 각각의 반사기는일반적으로 적어도 타원형 회전면의 일부분을 포함하며 광축과 그 광축상에 2개의 초점을 갖는다. 제 1 반사기의 초점들중 하나에 근접 위치된 광원은 제 1 반사기의 제 2 초점에 수렴하는 복사 광선들을 생성시킨다. 제 2 반사기는 제 1 반사기로부터 반사된 복사 광선들이 제 2 반사기의 1개 초점에서 수렴하도록 제 1 반사기에 관하여 위치 및 지향되어 있다. 그후 복사 광선들은 제 2 반사기에 의해 반사되고 제 2 반사기의 제 2 초점에 근접 위치된 타겟 쪽으로 초점맞춰질 때 까지 계속한다. 제 1 반사기와 제 2 반사기는 대체로 작은 사이즈와 형상을 가지며 제 1 반사기에 의해 반사된 각각의 복사 광선이 제 2 반사기의 해당 표면에 의해 타겟쪽으로 반사되어 단위 배율을 달성하도록 서로 대칭으로 광학적으로 지향된다.
역-반사기는 제 1 반사기로부터 멀어지는 방향으로 소스에 의해 방사된 복사를 획득하고 역-반사기로부터 반사된 광선들의 강도를 증가시키기 위해서 그 획득된 복사를 소스를 통하여 제 1 반사기쪽으로 반사시키도록 제 1 반사기와 함께 사용된다.
제 1 및 제 2 반사기의 형상은 시스템의 필요에 따라 타원형으로부터 벗어날 수 있다. 유사하게, 제 1 및 제 2 반사기들은 타원형에 근접한 토로이달 또는 구형 형상을 갖는다.
본 발명은 전자기 복사를 수집 및 집속시키기 위한 시스템, 특히 복사원으로부터 방사된 복사를 수집하고 그 수집된 복사를 타겟으로 집속시키기 위해 대체로 타원형 반사기를 채용하는 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시예들은 다양한 도면들에서 유사 구성요소 또는 특징들이 유사 참조 번호로 도시된 첨부 도면과 관련하여 기술된다:
도 1은 파라볼로이드 반사기와 초점 렌즈를 사용하는 공지된 축상 집속 및수집 광학 시스템의 단면으로 도시된 개략도;
도 2는 타원형 반사기를 사용하는 공지된 축상 집속 및 수집 광학 시스템의 단면으로 도시된 개략도;
도 3은 공지된 축외 집속 및 수집 광학 시스템의 단면으로 도시된 개략도;
도 4는 2개의 파라볼라 반사기를 사용하는 공지된 축상 집속 및 수집 광학 시스템의 단면으로 도시된 개략도;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 2개의 타원형 반사기들을 사용하는 축외 집속 및 수집 광학 시스템의 단면으로 도시된 개략도;
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따라 더 큰 이심률의 2개 반사기를 사용하는 집속 및 수집 광학 시스템의 단면으로 도시된 개략도; 및
도 7A-7J는 본 발명의 실시예에 사용되는 단면의 복수의 웨이브가이드 타겟의 개략도.
도면들과 관련하여, 발명의 예시적인 실시예들이 기술되어 있다. 이들 실시예들은 발명의 원리를 도시한 것이며 발명의 범위를 제한하는 것으로서 해석되지 말아야 한다.
본 발명의 대표적인 바람직한 실시예를 나타내는 것으로서 도 5-6을 참조하면, 발명은 하기 4개의 주요 구성요소와 관련이 있다.
1. 전자기 소스
바람직하게, 전자기 소스(10)는 엔벨로프(envelope)(12)를 갖는 광원이다.가장 바람직하게는, 상기 소스(10)는 크세논 램프, 금속 할로겐 램프, HID 램프, 또는 수은 램프와 같은 아크 램프를 포함한다. 일부 어플리케이션에 대해, 시스템이 램프의 비-불투명 필라멘트를 수용하도록 변형된다면, 필라멘트 램프, 예를 들면, 할로겐 램프들이 사용될 수 있으며, 이는 하기에 더 자세히 설명된다. 그러나, 타겟에 유사한 사이즈 또는 더 작은 사이즈의 전자기 복사의 소스가 사용된다(예를 들면, 화이버, 필라멘트 램프, 가스 방전 램프, 레이저, LED, 반도체 등).
전자기 소스의 사이즈(size)는 본문에서 상기 소스의 휘도(플럭스 밀도/각도 범위)를 특징으로 하는 강도 윤곽 맵(contour map)의 1/e 강도로 정의된다. 휘도는 아크 갭의 사이즈와 관련이 있으며 커플링 효율의 이론적인 한계를 결정한다. 아크 램프의 특정 경우에 대해, 상기 윤곽은 축대칭에 가까우며 전기 레이팅, 전극 설계와 합성물(composition), 가스 압력, 아크 갭 사이즈, 그리고 가스 합성물(composition)의 복합 기능이다. 비구면 만곡 엔벨로프를 갖는 아크 램프의 특정 경우에 대해, 반사기에 의해 이미징되는 소스의 효과적인 상대적인 위치와 강도 분포는 수차(aberration)를 겪는다. 이는 본질적으로 렌즈로서 기능하며 상쇄 광학 엘리먼트를 필요로하는 엔벨로프의 형상에 의해 야기된다. 광학 상쇄는 엔벨로프에 의해 야기된 비점수차를 상쇄하기 위해 반사기의 설계를 변경함으로써 또는 소스와 타겟사이의 보정 렌즈(optic)를 삽입시킴으로써 달성될 수 있다. 게다가, 광학 코팅은 프레넬 반사를 최소화시키고 그럼으로써 타겟에서의 보정가능 복사를 최대로 하거나 복사 플럭스를 제어 및/또는 필터하도록 엔벨로프에 적용될 수 있다.
2. 제 1 타원형 반사기
제 1 타원형 반사기(20)는 바람직하게 광축(22)과 초점(24와 26)을 갖는 타원형 회전면의 부분을 포함한다. 제 1 타원형 반사기(20)는 바람직하게 반사 코팅(28)(예를 들면, 알루미늄 또는 은)을 가지며 그 표면은 매우 연마되어 있다. 일정한 어플리케이션에 대해, 제 1 타원형 반사기(20)는 파장-선택성 다중층 유전 코팅으로 코팅된 글래스로 만들어 질 수 있다. 예를 들면, 코팅(28)은 가시 광선 어플리케이션에 사용하기 위해 가시 파장에서만 높은 반사성을 갖는 냉간 코팅이다. 상기 소스(10)는 제 1 타원형 반사기의 제 1 초점(24)에 위치되어 있으며, 상기 반사기(20)와 접촉하는 전자기 복사는 상기 반사기(20)의 제 2 초점(26)에 수렴하는 에너지 빔으로서 반사된다. 상기 소스(20)가 아크 램프라면, 상기 아크 갭은 제 1 타원형 반사기(20)의 초점 길이에 비하여 바람직하게 작다.
3. 제 2 타원형 반사기
제 2 타원형 반사기(30)는 광축(32)과 초점(34 및 36)을 갖는 타원형 회전면의 부분을 포함한다. 상기 제 2 반사기(30)는 또한 광 에너지를 선택적으로 반사시키기 위해 상기된 것처럼 코팅(38)을 갖는다. 상기 제 2 타원형 반사기(30)는 제 1 반사기(20)와 다르지만, 바람직하게는 상기 제 1 타원형 반사기(20)처럼 대체로 동일 사이즈 및 동일 형상이다.
제 2 타원형 반사기(30)는 상기 제 1 타원형 반사기(20)에 의해 반사된 전자기 복사가 제 2 타원형 반사기(30)의 제 2 초점(36)에 수렴하도록 위치 및 지향되어 있다. 상기 복사는 제 2 타원형 반사기(30)의 표면에 부딪칠 때 까지 지속하며따라서 제 2 타원형 반사기(30)의 제 1 초점으로 초점맞춰진다. 제 1 타원형 반사기(20)와 제 2 타원형 반사기(30) 사이의 단위 배율(즉, 소스처럼 대체로 동일 사이즈의 초점맞춰진 이미지)을 달성하기 위해서, 제 1 타원형 반사기(20)의 표면 부분에 의해 반사 및 초점맞춰진 각각의 전자기 복사 광선이 최대 가능 휘도인 제 1 초점(34)에서의 초점을 달성하기 위해서 제 2 타원형 반사기(30)의 해당 표면 부분에 의해 반사 및 초점맞춰지는 것이 중요하다. 본 설명의 맥락에서, 제 1 타원형 반사기(20)의 표면 부분에 의해 시준된 각각의 전자기 복사 광선이 제 2 타원형 반사기(30)의 해당 표면 부분에 의해 초점맞춰지도록 제 1 타원형 반사기(20)와 제 2 타원형 반사기(30)를 서로 지향 및 위치시키는 것은 상기 반사기들을 서로 "광학 대칭(optical symmetry)"으로 위치시키는 것으로서 언급된다.
4. 타겟
타겟(50)은 가능한 가장 높은 강도를 지닌 조명을 필요로하는 작은 물체(object)이다. 바람직한 실시예에서, 타겟(50)은 도 6에 도시된 것처럼 단일 코어 광섬유, 융합된 광섬유 번들, 화이버 번들과 같은 웨이브가이드이다. 타겟의 입력 단부(예를 들면, 광섬유의 근접 단부)는 제 2 타원형 반사기(30)에 의해 반사된 초점맞춰진 전자기 복사 광선들을 수신하도록 제 2 타원형 반사기(30)의 제 1 초점에 위치되어 있다. 본 발명의 광학 수집 및 집속 시스템들이 이미지의 조명 및 투영을 위한 어플리케이션에 적용될 때, 출력이 더 균일하도록 타겟에서의 출력 강도 프로파일을 균질화시키는 것이 필요하다. 예를 들면, 내시경 검사와 같은 의료 절차중에 조명하기 위해서, 의사가 조명의 중심과 주변에서 동등한투명도(clarity)로 영역을 관찰할 수 있도록 균일한 조명을 갖는 것이 바람직하다. 광섬유를 사용하는 조명의 경우에, 균일한 강도는 화면에 균일한 강도 프로파일을 생성시키기 위해 필요하다. 특히, 디스플레이된 이미지의 중심과 주변이 동등한 레벨의 조명을 갖는 것은 시각적 미학을 위해 바람직하다.
따라서, 타겟은, 도 5에 도시된 것처럼, 출력 강도 프로파일을 조절하는 균질화기(homogenizer)이다. 상기 웨이브가이드는 도 7A-7F에 도시된 것처럼 단면에 있어서 다각형(사각형, 직사각형, 삼각형 등) 또는 도 7G-7G에 도시된 것처럼 단면에 있어서 라운드형(원형, 타원형 등)일 수 있다.
수치 구경과 사이즈에 관하여 출력 필요조건에 따라, 균질화기는 더 작은 것에서 더 큰 사이즈로 또는 그 역으로 테이퍼링될 수 있다. 그러므로, 상기 타겟(50)은 도 7I에 도시된 것처럼 증가하는 테이퍼 웨이브가이드, 또는 도 7J에 도시된 것처럼 감소하는 테이퍼 웨이브가이드일 수 있다. 이러한 방식에서, 균질화기는 조명의 출력 형상에서 변동을 허용한다. 예를 들면, 이미지원(image source)(60)이 집속 렌즈(80)와 투영 렌즈(90)를 통하여 타겟(50)의 출력 스트림에 위치하여 투영된 이미지(70)를 생성시키는 투영 디스플레이에 있어서, 균질화기의 이상적인 출력은 디스플레이의 포맷에 따라 4 대 3 또는 16 대 19의 폭 대 높이 비율, 또는 다른 비율을 지닌 직사각형이다. 그럼에도불구하고, 양방향에서 조명하는 복사의 각은 유사해야 하며 그래서 원형 투영 렌즈(90)가 광학 시스템과 효과적으로 사용될 수 있다.
타겟과 소스가 본 발명의 수집 및 집속 시스템과 밀접하게 관련있지만, 더폭넓은 태양에 따라, 발명은 단일 초점을 공유하기 위해서 배열된 대체로 동일 사이즈 및 형상의 2개 반사기의 사용과 관련이 있다(즉, 제 1 반사기(20)의 제 2 초점(26)과 제 2 반사기(30)의 제 2 초점은 대체로 동일한 위치에 위치된다).
수집 및 집속 시스템의 설명을 계속하면, 도 5-6에 도시된 배열에 있어서, 제 1 타원형 반사기(20)와 제 2 타원형 반사기(30)는 서로 향하는 오목이되기 위해서 서로 대향 관계로 위치된다. 광학 대칭은 그 각각의 광축(22와 23)이 동일 선상이며 제 1 타원형 반사기(30)의 반사 표면이 단위 배율을 달성하는 제 2 타원형 반사기(30)의 해당 반사 표면과 대향 관계에 있도록 제 1 타원형 반사기(20)와 제 2 타원형 반사기(30)를 배열시킴으로써 도 5-6의 배열로 달성된다.
도 5-6에 있어서, 3개 광선 a, b 및 c는 상기 소스(10)에 의해 생성되는 전자기 복사에 대한 서로다른 가능한 경로를 고려하여 반사기들의 기능을 도시하도록 도출되었다. 도 5-6에 있어서, 광선 a, b 및 c는 이탈을 감소시킬시 본 광학 시스템의 유효성을 도시하기 위해서 도 4에서 처럼 대체로 동일 위치에 있다. 광원(10)으로부터 방사된 각각의 광선 a, b 및 c는 소스(10)로부터 상이한 거리를 갖는 서로 다른 포인트에서 제 1 타원형 반사기(20)에 부딪친다. 그러나 각각의 광선 a, b 및 c는 제 2 타원형 반사기(30)의 해당 위치로부터 타겟(50)상에 또한 초점맞춰지므로, 3개 광선에 대해 1:1 배율을 생성시킨다.
이전 처럼, 광선 a는 상기 소스(10)와 제 1 타원형 반사기(20)로부터 최단 거리를 가지며 결국 광선 b 및 c에 비하여 더 큰 분기를 생성시킨다. 본 발명의 광학 시스템에서, 광원으로부터의 복사는 상기 제 1 반사기(20)의 제 1 초점(24)으로부터 제 2 초점(26)으로 초점맞춰진다. 결국, 상기 광원(10)으로부터의 복사에 의해 이동된 거리는, 광선 a와 같은 높은 각도로 방사된 거리들 조차, 파라볼로이드 반사기를 사용하는 도 4의 시스템의 해당 거리보다도 상대적으로 더 크다. 더 큰 거리는 이탈양을 감소시키는데 왜냐하면 광선 a, b 및 c의 거리들이 상대적으로 더 균일하기 때문이다.
더욱더 이탈을 감소시키기 위해서, 도 6은 제 1 및 제 2 타원형 반사기(20'과 30')가 더 큰 이심율을 갖는(즉, 제 1 및 제 2 타원형 반사기가 더 원형임) 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 본 실시예에서 제 1 및 제 2 타원형 반사기(20'과 30')의 더 큰 만곡의 결과로서, 제 1 타원형 반사기(20')의 제 1 초점(24')과 제 2 타원형 반사기(30')의 제 1 초점(34') 사이의 거리는 감소된다. 동시에, 상기 타원형 반사기(20'과 30')의 더 큰 만곡은 광선 a를 따라 제 1 타원형 반사기(20')와 그 제 1 초점(24')사이의 거리를 증가시킨다. 게다가, 광선 a를 따라 제 2 타원형 반사기(30')와 그 제 1 초점(34') 사이의 해당 거리가 증가된다. 결국, 도 6의 광선 a, b 및 c에 대한 복사원(10')과 제 1 반사기(20')사이에 이동된 거리(외에 상기 소스(10')와 타겟(50') 사이의 전체 거리)는 도 5의 실시예에 비하여 상대적으로 더 균일하다. 이러한 특징은, 광선 a에 유사한 경로를 이동하는 에너지와 같이 광축(22') 근처를 이동하는 전자기 에너지에서 조차, 시스템이 광원과 타겟 사이에서 적은 이탈을 하게 한다.
도 5와 6에서 동일한 광선 c의 경로를 비교함으로써, 도 6의 실시예는 광원(10)으로부터 동일 각도의 출력 복사를 수집하기 위해서 더 큰 타원형을 커버하는 반사기(20'와 30')를 사용함이 이해될 수 있다. 그러나, 도 6의 반사기(20'와 30')는 도 5의 반사기(20'와 30')처럼 대략 동일 직경을 갖는다.
도 5와 6에 도시된 것처럼, 본 발명의 수집 및 집속 시스템은 도시된 실시예에서 구형 역-반사기인 역-반사기(40)의 사용을 채용한다. 상기 역-반사기(40)는 제 1 타원형 반사기(20)에 부딪히지 않는 소스(10)에 의해 방사된 전자기 복사를 획득하도록 위치되어 있다. 더 상세하게는, 구형 역-반사기(40)는 제 1 타원형 반사기(20)로부터 멀어지는 방향으로 상기 소스(10)에 의해 방사된 복사가 제 1 타원형 반사기(20)의 제 1 초점(24)을 통하여 뒤로 그리고 그후에 제 1 타원형 반사기(20) 쪽으로 역-반사기(40)에 의해 반사된다. 제 1 타원형 반사기(20)에 의해 반사되는 이러한 부가적인 복사는 소스(10)로부터 직접 제 1 타원형 반사기(20)에 부딪히는 복사를 부가하여 제 2 타원형 반사기(30) 쪽으로 반사되는 복사의 강도를 증가시킨다. 결국, 제 2 타원형 반사기(30)의 제 1 초점(34)에서의 복사 강도가 또한 증가된다.
필라멘트 램프가 소스(10)로서 사용된다면, 상기 역-반사기는 제 1 타원형 반사기(20)의 제 1 초점(24)을 통하여 뒤로의 복사를 초점맞추도록 지향될 수 없는데, 왜냐하면 상기 역-반사된 복사가 제 1 초점(24)에서 위치된 불투명 필라멘트에 의해 블럭킹되기 때문이다. 이러한 경우에, 역-반사기(40)의 위치는 역-반사된 복사가 정확하게 제 1 초점(24)을 통과하지 않는 것을 제외하고 근처를 통과하도록 조정되어야 한다.
몇가지 상이한 역-반사기(40)가 공지되어 있으며 본 발명에 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들면, 구형 역-반사기(40)에 다른 예로서, 역-반사 기능은 대략 소스(10)의 아크 사이즈 또는 더 작은 사이즈로된 단위 엘리먼트를 갖는 2-차원 코너 큐브 어레이(corner cube array)(도시되지 않음)에 의해 수행될 수 있다. 2-차원 코너 큐브 어레이를 사용하는 것은 역-반사기를 정확하게 위치시킬 필요성을 제거하며 소스(10)의 아크에서 더 촘촘한 초점을 생성시킨다.
상기 실시예들은 타원형 형상을 갖는 제 1 및 제 2 반사기를 지닌 구성을 기술하지만, 제 1 및 제 2 반사기(20과 30)가 이상적인 기하학적 타원형 형상과 약간 상이한 형상을 사용하여 근사화될 수 있음은 본 발명에 의해 공지 및 예기됨이 더 인식된다. 예를 들면, 제 1 및 제 2 반사기(20과 30)는 벌브 엔벨로프, 필터 등과 같은 다양한 파라미터들을 상쇄시키기 위해서 타원형 형상으로 변경될 수 있다. 이러한 경우에, 일반적인 타원형 반사기(20과 30)의 형상에서의 편향(deviation)은 작으며 최종적인 출력은 최적 상황으로부터 약간 상이하다. 상기 반사기들의 형상에 있어서의 편향(deviation)은 또한 반사기(20과 30)의 비용을 감소시키거나, 또는 특정 램프 유형 및 아크 형상에 대한 성능을 증가시키기 위해 또한 도입될 수 있다. 예를 들면, 타원형 반사기(20과 30)는, 비교적 더 낮은 비용으로 제조될 수 있는, 토로이달 반사기(2개의 수직 및 불균등한 만곡 반경을 가짐) 또는 구형 반사기에 의해 근사화될 수 있음은 본 발명에 의해 공지 및 예견된다. 만일 비-타원형 반사기가 사용된다면, 출력 커플링은 최적으로 될 수 없지만, 제 1 및 제 2 반사기(20과 30)에 대한 감소된 비용은 비효율적인 커플링을 통한 손실을 정당화시키기에 충분하다.
본 발명의 몇가지 예들이 제공되어 있다. 이러한 예들은 본 발명의 일부 가능한 구현예들을 도시하도록 의도되었지만 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
실시예
본 발명에 따른 제 1 한쌍의 예시적인 광학 시스템들은 약 100와트의 낮은 와트 램프를 광원으로서 사용한다. 도 5의 실시예에 따른 반사 시스템에 있어서, 각각의 제 1 및 제 2 반사기는 2.5인치의 직경을 가지며, 소스와 타겟 사이의 간격(즉, 초점들사이의 거리)은 약 5인치이다. 대조적으로, 도 6에 도시된 실시예에 따른 큰 이심율의 낮은 와트 반사 시스템은 대략 2.5인치의 직경을 각각 갖지만, 대략 2인치의 소스와 타겟 사이의 거리를 갖는, 유사한 사이즈의 제 1 및 제 2 반사경을 사용한다.
더 높은 와트 어플리케이션에 있어서, 광학 시스템은 더 높은 전자기 에너지 레벨의 바람직한 수집을 제공하고 잠재적으로 더 큰 램프를 수용하기 위해서 상대적으로 더 크다. 예를 들면, 도 5의 구성에서 약 5,000의 높은 와트 램프를 사용할 때, 각각의 1차 반사기는 20인치의 직경을 가지며, 소스와 타겟 사이의 간격은 약 40인치이다. 이전 처럼, 도 6의 실시예는 유사한 사이즈의 1차 반사기를 갖지만 소스와 타겟사이의 거리를 감소시킨다. 예를 들면, 도 6의 실시예에 따른 예시적인 높은 와트 광학 시스템은 대략 20인치의 직경을 지닌 제 1 및 제 2 반사기를 또한 사용하지만 소스와 타겟 사이에 16인치의 거리를 갖는다.
결론
발명이 기술되어 있지만, 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고 수많은 방식으로 변경될 수 있음은 당기술의 당업자에게 자명하다. 임의의 그리고 모든 그러한 변형은 하기 청구범위의 범위내에 포함된다.

Claims (32)

  1. 전자기 복사의 소스;
    상기 소스에 의해 방사된 전자기 복사의 적어도 일부분으로 조명되는 타겟;
    광축과 상기 광축상의 제 1 및 제 2 초점을 갖는 제 1 반사기; 및
    광축과 그 광축상에 제 1 및 제 2 초점을 갖는 제 2 반사기를 포함하며,
    상기 소스가 상기 제 1 반사기로부터 반사하는 복사 광선들을 생성시키며 대체로 제 2 초점에 수렴하도록 상기 제 1 반사기의 제 1 초점에 근접 위치되며,
    상기 타겟이 상기 제 1 반사기의 제 1 초점에서 대체로 수렴하게 하기 위해 상기 제 2 반사기의 제 2 초점을 통과하고 상기 제 2 반사기에 의해 반사된 복사 광선을 수신하도록 상기 제 2 반사기의 제 1 초점에 근접 위치되며, 상기 제 1 반사기의 제 2 초점과 제 2 반사기의 제 2 초점이 대체로 근접 위치되며 상기 제 1 반사기의 광축과 제 2 반사기의 광축이 대체로 동일 선상에 있도록 상기 제 2 반사기가 제 1 반사기에 대하여 위치 및 지향되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 1 반사기와 제 2 반사기가 대략 동일 사이즈 및 형상이며 서로 부합하는 사이즈와 광학 지향을 가지므로 제 1 반사기의 표면 부분에 의해 반사된 각각의 복사 광선이 소스와 타겟 사이에서 대체로 단위 배율을 달성하기 위해서 제 2 반사기의 부합하는 표면 부분에 의해 상기 타겟쪽으로 반사되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 반사기는 전자가 복사 스펙트럼의 소정의 부분만을 반사하는 코팅을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 코팅은 단지 가시광선 복사, 소정 대역폭의 복사, 또는 특정 색채의 복사를 반사하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 각각의 상기 제 1 및 제 2 반사기는 대체로 타원형 회전면의 적어도 일부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 각각의 상기 제 1 및 제 2 반사기는 비-타원형 부분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 각각의 상기 제 1 및 제 2 반사기는 대체로 토로이드 회전면의 적어도 일부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 각각의 상기 제 1 및 제 2 반사기는 대체로 구형 회전면의 적어도 일부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 전자기 복사의 소스에 의해 방사된 전자기 복사의 일부분은 상기 제 1 반사기에 직접 부딪히며 전자기 복사의 일부분은 상기 제 1 반사기에 직접 부딪히지 않으며 상기 장치는 수렴하는 광선의 플럭스 강도를 증가시키기 위해서 제 1 반사기의 제 1 초점을 통하여 제 1 반사기에 직접 부딪하지 않는 전자기 복사의 적어도 일부분을 반사시키도록 구성 및 배열된 부가적인 반사기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 부가적인 반사기는 상기 제 1 반사기로부터 멀어지는 방향으로 상기 소스로부터 방사되 전자기 복사를 상기 제 1 복사기의 제 1 초점을 통하여 상기 제 1 반사기 쪽으로 반사시키도록 상기 제 1 반사기에 대향하여 소스의 측에 배치되는 구형 역-반사기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 제 1 및 제 2 반사기의 광축들은 대체로 서로 일치하며 상기 제 1 및 제 2 반사기는 서로 대향 관계로 배열되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 소스는 광-방사 아크 램프를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 아크 램프는 크세논 램프, 금속 할로겐 램프, HID 램프, 또는 수은 램프를 포함하는 그룹으로부터 선택딘 램프를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 소스는 필라멘트 램프를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  15. 제 1 항에 있어서, 상기 타겟은 단일 코어 광섬유, 화이버 번들, 융합된 화이버 번들, 다각형 로드(rod), 중공 반사 광 파이프, 또는 균질하기를 포함하는 그룹으로부터 선택된 웨이브가이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  16. 제 14 항에 있어서, 상기 웨이브가이드는 원형 단면 웨이브가이드, 다각형 단면 웨이브가이드, 테이퍼링된 웨이브가이드 및 그 조합을 포함하는 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 웨이브가이드는 4 대 3 또는 16 대 9의 폭 대 높이 비율을 갖는 복사 출력을 생성시키기 위해 직사각형인 것을 특징으로 한느 광학 장치.
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 타겟에서 수집 및 집속된 복사에 의해 조명되는 이미지원을 더 포함하며, 상기 이미지원은 저장된 이미지를 포함하며 상기 저장된 이미지는 복사에 의해 투영되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 타겟에서 수집 및 집속된 복사에 의해 조명되며, 소정의 위치에서 조명을 제공하도록 수집 및 집속된 복사를 방출하는 광섬유를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  20. 제 1 항에 있어서, 제 1 및 제 2 반사기는 소스와 타겟사이의 거리보다 더 큰 직경을 각각 갖는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  21. 전자기 복사의 소스에 의해 방사된 전자기 복사를 수집하며 그 수집된 복사를 타겟상에 초점맞추기 위한 광학 장치에있어서,
    오목 만곡부 회전면의 적어도 일부분을 포함하며, 광축과 상기 광축상에 적어도 2개 초점을 갖는 제 1 반사기; 및
    오목 만곡부 회전면의 적어도 일부분을 포함하며, 광축과 상기 광축상에 적어도 2개 초점을 갖는 제 2 반사기를 포함하며,
    상기 제 1 반사기는 전자기 복사의 소스가 제 1 반사기의 제 1 초점에 위치할 때 제 1 반사기의 제 2 초점에서 수렴하는 제 1 반사기로부터 반사된 복사 광선을 생성시키며,
    제 2 반사기는 상기 제 1 반사기의 광축과 제 2 반사기의 광축이 대체로 동일 선상에 있도록 제 1 반사기에 대해 위치 및 지향되어 있으며, 제 1 반사기의 제 2 초점과 제 2 반사기의 제 2 초점이 대체로 근접 위치되도록 제 1 반사기에 대해위치 및 지향되고, 상기 제 1 반사기의 제 2 초점을 통과하는 제 1 반사기로부터 반사된 복사 광선을 수렴하며 상기 제 1 반사기에 의해 상기 제 2 반사기의 제 2 초점에 근접 위치된 타겟쪽으로 재지향되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 제 1 반사기와 제 2 반사기는 상기 제 1 반사기의 표면 부분에 의해 반사된 각각의 복사 광선이 소스와 타겟 사이에서 대체로 단위 배율을 달성하기 위해서 상기 반사기의 해당 표면 부분에 의해 상기 타겟쪽으로 반사되도록 대체로 동일 사이즈와 형상을 가지며 서로 광학적으로 대칭 지향되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  23. 제 21 항에 있어서, 수렴하는 광선의 플럭스 강도를 증가시키기 위해서 상기 제 1 반사기에 직접 부딪히지 않는 소스에 의해 방사된 전자기 복사의 적어도 일부분을 상기 제 1 반사기의 제 1 초점을 통하여 상기 제 1 반사기쪽으로 반사시키도록 구성 몇 배열된 부가적인 반사기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 부가적인 반사기는 상기 제 1 반사기로부터 멀어지는 방향으로 소스로부터 방사된 전자기 복사를 제 1 반사기의 초점을 통하여 제 1 반사기쪽으로 반사시키도록 상기 제 1 반사기에 대향하여 소스의 측에 배치된 구형 역-반사기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  25. 제 21 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 반사기의 광축들은 대체로 서로 일치하며 상기 제 1 및 제 2 반사기들은 서로 대향 관계로 배열되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  26. 제 21 항에 있어서, 각각의 상기 제 1 및 제 2 반사기는 대체로 타원형 회전면의 적어도 일부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  27. 제 26 항에 있어서, 각각의 상기 제 1 및 제 2 반사기는 비-타원형 부분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  28. 제 21 항에 있어서, 각각의 상기 제 1 및 제 2 반사기는 대체로 토로이드 회전면의 적어도 일부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  29. 제 21 항에 있어서, 각각의 상기 제 1 및 제 2 반사기는 대체로 구형 회전면의 적어도 일부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  30. 제 21 항에 있어서, 각각의 상기 제 1 및 제 2 반사기는 소스와 타겟사이의 거리보다 더 큰 직경을 각각 갖는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  31. 전자기 복사의 소스에 의해 방사된 전자기 복사를 수집하고 그 수집된 복사를 타겟상에 초점맞추기 위한 방법에 있어서,
    상기 제 1 반사기가 제 1 반사기의 제 2 초점에서 수렴하는 제 1 ㄹ반사기로부터 반사된 복사 광선을 생성시키도록제 1 타원형 반사기의 제1 초점에 전자기 복사의 소스를 위치시키는 단계;
    제 2 타원형 반사기를 위치시킴으로써, 제 2 타원형 반사기의 제 1 초점이 제 1 타원형 반사기의 제 2 초점과 대략 근접하므로, 상기 제 1 반사기로부터 반사된 수렴하는 복사 광선이 상기 제 반사기에 의해 제 2 반사기의 제 2 초점 쪽으로 재지향되도록 제 2 타원형 반사기를 위치시키는 단계; 및
    상기 제 2 반사기의 제 2 초점에 근접 타겟을 위치시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제 31 항에 있어서, 제 1 반사기의 광축과 제 2 반사기의 광축이 대체로 일치하도록 제 1 반사기와 제 2 반사기를 지향시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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