MXPA01011058A - Acoplamiento mejorado de luz desde una lampara de arco electrico pequeno hacia un objetivo mayor. - Google Patents

Abstract

Se utiliza una guia de luz 8 para acopiar tanta luz como sea posible a partir de una fuente de formacion de imagen 1 que tiene una apertura numerica mayor dentro de un componente de fibra optica 7 con una apertura numerica relativamente menor; una varilla recubierta estrecha, un paquete fusionado estrecho de fibras opticas, un tubo hueco reflejante estrecho, CPC o lentes negativos cuando se utiliza como una guia de luz, se provee para acoplamiento eficiente de la luz dentro de un componente de fibra optica sin perdida de densidad de flujo; dicho sistema es especialmente ventajoso cuando se utiliza con una fuente de formacion de imagen que produce un tamano de punto de imagen muy pequeno con alta apertura numerica, tal como una que produce una imagen a 1:1 semejante a un reflector esferico fuera de eje.

Description

ACOPLAMIENTO MEJORADO DE LUZ DESDE UNA LAMPARA DE ARCO ELÉCTRICO PEQUEÑO HACIA UN OBJETIVO MAYOR CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención está en el campo de los sistemas para acumular y condensar radiación electromagnética y acoplar esa radiación a un objetivo.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Desde hace tiempo ha sido una meta en el campo de la tecnología de fibra óptica el desarrollar un sistema para acumular y condensar radiación electromagnética más eficientemente desde una fuente de luz sin coherencia, aproximada por una fuente de punto. Los sistemas convencionales han tratado de dirigir radiación originada desde una fuente convencional de luz sin coherencia hacia un sitio pequeño sin una disminución conjunta en el flujo de radiación. Comúnmente, dos enfoques se han tomado en el desarrollo de dichos sistemas. El primero incluye el uso de cristales condensados entre la fuente de luz y el objetivo. Dichos lentes condensados típicamente tienen varias desventajas en el sentido de que son a menudo relativamente costosos, consumen espacio, intrínsicamente difíciles de alinear y crean anomalías cromáticas y esféricas. El otro enfoque común es el uso de espejos reflectores elipsoidales. Estos sistemas reflejantes son también muy costosos, y tienen desventajas intrínsecas que causan un aumento de la imagen que resulta en una reducción en la densidad de flujo hacia el objetivo. 5 El sistema de trabajo previo más común incluye un reflector parabólico usado junto con unos lentes como se muestra en la Figura 5. El reflector parabólico 9 forma el alojamiento de la lámpara 1 con superficies revestidas ya sea con aluminio o plata. El gas se sella herméticamente en este alojamiento usando una ventana. El arco eléctrico de la lámpara se 10 coloca en el centro de la parábola la cual provoca la salida del haz de luz para ser compuesto de rayos paralelos. Un revestimiento reflejante de aluminio o plata refleja radiación de UV visibles a infrarrojos. Como resultado, para aplicaciones, como las iluminaciones médicas, se necesita un filtro visible para eliminar radiación UV e infrarroja no deseada. Usualmente, un filtro de 15 transmisión se usa el cual no puede ser fabricado con fuerte corte de longitud de onda. La producción resultante, por lo tanto, se compone de más que la cantidad deseada de radiación UV e infrarroja. Cuando se usa un filtro reflejante, la distancia entre la lampara y el centro del lente se tiene que incrementar para albergar al filtro. Esto reduce el acoplamiento eficiente del 20 sistema. Para acoplar la luz dentro de un dispositivo de salida 7, tal como un haz de fibra óptica, un lente enfocado 10 se usa típicamente para redirigir el rayo paralelo en un pequeño sitio. La abertura numérica de salida del lente se ajusta a la abertura numérica del rayo de fibra para lograr la eficiencia de - i i?iftilitf??ffffrí •? »,.. ' » » - • -•• acoplamiento máxima posible. Debido a la naturaleza intrínseca de la combinación de la parábola y del lente enfocado, el aumento del arco sobre el haz no es constante sobre la abertura total. Como resultado, el tamaño del sitio de salida es siempre más grande que el arco de la lámpara misma. Este mecanismo resulta en un decremento en el máximo brillo o intensidad de flujo en el punto de enfoque. Junto con las anomalías creadas por los lentes de enfoque, tales sistemas producen una salida con un tamaño de sitio considerablemente mas largo que el espacio del arco y una distribución la cual es no-uniforme. La figura 6 ilustra otra configuración común para la salida de enfoque de un arco de lámpara hacia un rayo de fibra. En este caso, el arco de la lámpara se coloca en un foco del reflector elipsoidal 3 con el electrodo colocado a lo largo del eje principal. La fibra de salida 7 se coloca en el objetivo 6 el cual se coloca en el otro foco a lo largo del eje principal. El tamaño de la superficie elipsoidal y la distancia entre los dos focos determina la apertura numérica del haz de luz de salida. Debido a los varios senderos para que la luz viaje de un foco al otro, el aumento no es constante para todos los rayos. Como resultado, el sitio de salida en el otro foco es usualmente unas cuantas veces más largo que el arco mismo. Este aumento inherente reduce nuevamente la brillantez del arco. La patente No. 4, 757, 431 de los Estados Unidos de Norteamérica cruzar et al., la especificación de la cual es en este asunto incorporada por referencia, revela un sistema condensador y acumulador que utiliza sistema reflector cóncavo esférico fuera del eje para realzar la cantidad de densidad de flujo en el punto objetivo sobre los sistemas reflectores elipsoidales anteriores. La distribución de tal sistema se muestra en la Figura 7. Este sistema, mientras que permite la densidad de flujo incrementada derivada de su aumento de imagen inherente 1 :1 en el sitio objetivo, tiene la desventaja en el sentido que su eficiencia de concentración de flujo disminuye con la distancia lineal fuera de eje entre el objetivo 6 y el arco de la lámpara 1. Cualquier intento de limitar tal pérdida de flujo al minimizar el desplazamiento de fuera del eje es coartado por el tamaño físico y forma de la fuente y objetivo de iluminación o dispositivo de salida de fibra óptica 7. La patente No. 5, 430, 634 de los Estados Unidos de Norteamérica para Baker et al., la especificación de la cual está también en este asunto incorporada por referencia, revela una variante del sistema reflector fuera de eje como se revela en la Patente No. 4, 757, 431 de los Estados Unidos de Norteamérica en la cual un reflector toroidal cóncavo se emplea en el lugar del reflector esférico cóncavo 4. Los vastagos y conos estrechos se incorporan comúnmente en el poste de entrada de luz de endoscopios para maximizar la recopilación de luz desde un origen de diámetro largo y transformando la luz recopilada en un sitio más pequeño y una apertura numérica más larga. Típicamente, estas configuraciones son altamente ineficientes porque la longitud del cono es demasiado corta para optimizar la transformación de ambos espacial y angularmente. La Patente No. 5, 729, 643 de los Estados Unidos de Norteamérica para Hemlar et al. Revela el uso de fibra óptica estrecha que tiene un diámetro de salida del núcleo el cual se afila hasta un diámetro de salida más pequeño para enfocar la luz hacia un sitio más pequeño. Como se muestra por la Patente No. 5, 680, 257 de los Estados Unidos de Norteamérica para Anderson, el rayo integrando la óptica usando lentes, integradores y reflectores cónicos para condensar luz dentro de un sitio pequeño con divergencia angular aumentada son también conocidos en el trabajo. Todos estos sistemas anteriores, sin embargo, necesariamente producen un incremento en la apertura numérica de la luz. Por lo tanto, dichos sistemas son ineficientes cuando se usan para acoplar la luz en una fibra óptica. El incremento resultante en la apertura numérica, o divergencia, de la luz durante los esfuerzos para reducir el sitio, causa una parte grande de la luz acumulada para exceder la apertura numérica de una fibra óptica de salida colocada en el punto de imagen. Hasta ahora, una parte considerable de luz incidente en el punto de imagen no puede transmitirse por la fibra. Ahí queda una necesidad en el trabajo para mejoras al acoplar luz desde los sistemas de condensación y acumulación de luz.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN En el campo de la presente invención, la luz falta de coherencia del arco de la lámpara 1 se desea generalmente que sea proyectada sobre el objetivo 6, tal como el final de una fibra individual o rayo de fibra. El rfaÁüÉtaiilÉIMM- kk ^^Ma^sm acoplamiento de la luz desde los sistemas de condensación y acumulación en una fibra óptica se optimiza cuando las aperturas numéricas de los lentes del reflector o condensador y el objetivo de fibra óptica son ¡guales. Como regla, la apertura numérica de la salida de luz de la fibra será la misma a la del sistema de reflector/lentes o de la fibra, la que sea más pequeña. Esto es debido a que una fibra óptica puede decir generalmente que tiene un apertura numérica intrínseca que representa el ángulo de propagación más alta, un rayo de luz puede tener y ser contenido completamente dentro de la fibra óptica. En cualquier ocasión que la luz que pasa a través de una fibra óptica excede la apertura numérica de la fibra, ocurrirá una fuga de luz. Este hecho llega a ser importante cuando una fibra óptica se dobla, típicamente causa un decremento localizado en la apertura numérica efectiva de la fibra. Hasta ahora, se desea tener flujo de densidad de luz alta pasando a través de una fibra óptica que tiene una apertura numérica menor a la apertura numérica de la fibra. Por otro lado, para redirigir la cantidad máxima de flujo de luz del arco de la lámpara sobre el sitio objetivo requiere el uso de un espejo primario con una apertura numérica tan larga como sea posible. Comúnmente, la luz de apertura numérica alta del espejo/lentes será más larga que aquella de la fibra óptica o rayo de fibra óptica en el sitio objetivo. Debido a los límites de transmisión descritos anteriormente, esto significa que una parte significativa de luz que alcanza el objetivo no será transmitida por la fibra de salida y se perderá. * - - * * ^^^^^ *,kí**.A ^^ La invención mejora, sobre el trabajo previo, el acoplar luz en objetivos de diámetro más largo. Esto proporciona un mecanismo para acoplar la luz de apertura numérica alta a un dispositivo transformador óptico intermedio tal que la luz acumulada de la lámpara de cualquier sistema de 5 condensación y acumulación se transforma en una salida que tiene una apertura numérica más pequeña y un sitio más largo para acoplamiento eficiente a la entrada final de una fibra individual de diámetro largo o rayo de fibra ajustado en apertura numérica y diámetro. El resultado global es una eficiencia más alta y salida en relación con sistemas de trabajo previos que 10 acoplan luz dentro del mismo objetivo. Conos y varillas estrechos se incluyen comúnmente dentro del poste de luz de entrada de endoscopios para maximizar la acumulación de luz de una fuente de diámetro largo y transformar la luz acumulada dentro de un sitio más pequeño y una apertura numérica más grande. Típicamente estas 15 configuraciones son altamente ineficientes porque la longitud del cono es demasiado corta para optimizar la transformación espacial y angularmente. " Tubos huecos estrechos con superficies interiores reflejantes son comúnmente usadas también para "canalizar" luz dentro de un sitio pequeño de una fuente. Dichos tubos huecos estrechos trabajan como un 20 embudo en el sentido que ellos tienen una apertura en el extremo, una apertura siendo más larga que la otra. El tubo lleva luz a la apertura más grande y la condensa suavemente mediante el reflejo dentro de la superficie cónica dentro de un sitio pequeño y divergencia más grande cuando sale en la apertura más pequeña. Estos tipos de dispositivos ópticos se incluyen comúnmente en proyectores de LCD, proyectores DMD y los demás. Otra especie de luz guía con aplicabilidad específica a la presente invención es una forma especializada de los tubos huecos estrechos conocidos como el concentrador parabólico compuesto o "CPC." Los CPCs son como el tubo hueco estrecho, pero sus superficies reflejantes interiores son parabólicas o curvas. Dichas superficies parabólicas se han encontrado ser efectivas en concentrar luz emitida desde una fuente larga a una distancia dentro de un sitio pequeño. Por lo tanto, los CPCs encuentran aplicación común en acumular rayos solares para calentar o generar electricidad. Para tales aplicaciones, la terminal de salida del CPC tiene una sección en cruz más grande que la terminal de salida, y la luz emitida de la terminal de salida tiene una apertura numérica mucho más larga. Los CPCs de vidrio sólido también pueden configurarse para producir resultados similares. Otra posibilidad, un lente puede emplearse como la guía de luz. Como se muestra en la patente No. 5, 680, 257 de los Estados Unidos de Norteamérica, los lentes son comúnmente empleados para condensar luz dentro de un sitio objetivo pequeño. Nuevamente, tal uso necesariamente resulta en un NA incrementado, o divergencia de la luz. Una guía de luz en la forma de un cono o varilla revestida estrecha individual, un rayo óptico de fibra estrecho fusionado, un lente negativo, o una combinación por consiguiente, colocada en el punto de imagen del sistema puede aumentar la transmisión de luz a través del objetivo l-l final de fibra óptica. La presente invención hace usos de dichos dispositivos de trabajo previos como una guía de luz utilizándolo en una manera reversible a su típica manera de uso. Los dispositivos anteriores se colocan según el cual la luz incidente mandada desde el sistema de acumulación óptica, como 5 de cualquiera de los sistemas de trabajo anteriormente mencionados, se aumenta en el sitio y se disminuye en distribución angular para maximizar la cantidad de luz en ultima instancia acumulada y estar en posibilidad de ser transmitida a través de un dispositivo de fibra óptica. • 10 BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 es una ilustración esquemática de una modalidad de la presente invención usando un reflector cóncavo toroidal fuera de eje como el recaudador primario. 15 La Figura 2 es una ilustración esquemática de una modalidad de la presente ¡nvención usando un reflector cóncavo elipsoidal fuera de eje • como el recaudador primario. La Figura 3 es una ilustración esquemática de una modalidad de la presente invención usando un reflector cóncavo extendido elipsoidal dentro 20 de eje como el recaudador primario. La Figura 4 es una ilustración esquemática de una modalidad de la presente invención mostrando un lente negativo siendo usado como una guía de luz. k ¿ ^^^ tu - i i •- ^üÉtMta^ La Figura 5 es una ilustración esquemática de un sistema de condensación y acumulación de un trabajo previo empleando un reflector cóncavo parabólico y lente de enfoque. La Figura 6 es una ilustración esquemática de un sistema de condensación y acumulación de un trabajo previo empleando un reflector cóncavo elipsoidal. La Figura 7 es una ilustración esquemática de un sistema de condensación y acumulación de un trabajo previo empleando un reflector cóncavo toroidal con la fuente y objetivo localizados en una relación de fuera de eje.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Y DE LAS MODALIDADES PREFERIDAS Las modalidades de la invención generalmente constan de un arco corto de lámpara 1 , como se muestra en las figuras. Arcos de lámparas apropiados incluyen lámparas produciendo espacios de arco de hasta 8mm, incluyendo pero no limitado a lámparas de tipo Xenón, Mercury, Mercury-Xenon, haiogenuro de metal AC, y haiogenuro de metal DC con un rango de potencia desde 100 hasta 500 watts. Los experimentos han indicado que los resultados aceptables han sido logrados usando intervalos de arco de 1 mm, 1.5 mm, 2 mm, 3 mm y hasta 6 mm de 100 y 500 Xenón watts y arcos de lámparas haiogenuro de metal de 250 y 270 watts.

El arco de lámpara 1 se usa en conjunto con cualquier sistema de acumulación primario conocido. La Figura 2 ilustra una modalidad de la invención donde un reflector cóncavo elipsoidal de fuera de eje 2 se usa como el recaudador primario. La Figura 3 ilustra otra modalidad de la invención donde un reflector 3 elipsoidal de dentro de eje se usa como el recaudador primario. La Figura 1 ilustra una modalidad preferida de la ¡nvención donde un reflector 4 cóncavo esférico de fuera de eje se usa como el recaudador primario. En cualquiera de las modalidades anteriores, un retro- reflector 5 puede emplearse para incrementar el flujo de luz hacia el recaudador primario 2, 3, ó 4, como se muestra en las Figuras 1 , 2 y 3 respectivamente. El recaudador primario y retro-reflector 5 puede recubrirse opcionalmente con material dieléctrico, aluminio o plata para circunstancias donde la longitud de onda específica de luz se desea que se acumule o donde se desea radiación electromagnética de banda ancha. Por ejemplo, donde la radiación se va a usar para propósitos de iluminación con luz visible, el espejo puede bañarse con recubrimiento dieléctrico multi-capa que refleja solamente la luz visible y rechaza la radiación Ir y UV. La salida sería una luz visible teniendo una temperatura de color dependiente de la fuente, tal como una lámpara xenón con temperatura de color en el orden de los 6000 grados Kelvin. Dicha salida de luz es particularmente adecuada para aplicaciones como en la iluminación quirúrgica. fefeM» t - «....*...».,. «.k , La luz de la lámpara 1 se dirige por el recaudador primario 2, 3, ó 4 a un sitio objetivo 6. En los sistemas de trabajo anteriores como se describe en las Figuras 5, 6 y 7, un dispositivo de transmisión de luz de salida 7 se coloca en el sitio objetivo 6. En la presente invención, un dispositivo 8 para transformar la apertura numérica y el sitio de acumulación de luz, o "guía de luz", se coloca en el sitio objetivo para transformar luz a un sitio y apertura numérica ajustada como la del dispositivo de salida 7. Por ejemplo, las Figuras 1 y 7 difieren por la guía de luz 6 la cual posibilita a la luz acumulada que sea más eficientemente ingresada y transmitida a través de fibra óptica 7, con eso, incrementando la cantidad de luz utilizable en la terminal distal de fibra óptica 7. Diferentes dispositivos ópticos pueden servir adecuadamente como la luz guía 8 en modalidades de la presente invención. El uso de varillas cubiertas estrechadas como el dispositivo de transformación 8 en la actual invención proporciona transformación óptima de la distribución angular de la luz. La distribución espacial inversa no se optimiza porque la salida de una varilla cubierta es típicamente no uniforme y consta de anillos concéntricos de luz. Sin embargo, si el dispositivo de salida final 7 es un rayo de fibra aleatorio, la luz se mezcla a la salida del rayo de fíbra y no hay consecuencia negativa de tener una entrada que es no-uniforme en perfil espacial. Un rayo fusionado estrecha puede ser alternativamente usado como la luz guía, pero un rayo fusionado estrechado es menos eficiente en la transmisión de luz al objetivo final para la misma "*-tj *> ** • * «— - Xi . longitud de cristal como una varilla estrecha. Sin embargo, la salida del rayo fusionado estrecho es espacialmente aleatoria y más uniforme. Por consiguiente, la luz de un rayo fusionado estrecho actúa como el dispositivo transformador 8, o luz guía, se acopla más rápidamente en una fibra individual de diámetro largo para producir una salida uniforme de la fibra individual. Si una vela haz fusionada más corta se usa, la perdida de transmisión global puede minimizarse. Una vela haz fusionada proporciona mejor uniformidad espacial para una longitud más corta porque el diámetro pequeño, típicamente menor a 80 micrones, de las fibras individuales de la vela haz fusionada transforma el perfil angular y espacial dentro de aproximadamente 30 diámetros de fibra individual. Un tubo estrecho hueco reflejante, o un CPC, pueden emplearse como la luz guía en las modalidades de la presente ¡nvención. La apertura más pequeña del tubo o CPC seria colocada en el sitio objetivo para que la luz sea transformada a un NA y un diámetro de salida aproximadamente ¡gual a esa del dispositivo de salida. Esta clase de luces guías pueden recubrirse para reflejar solo ciertas longitudes de onda de luz, como con un revestimiento dieléctrico multi-capa. Un tubo estrecho hueco reflejante o CPC cubierto entonces proporcionaría al usuario la habilidad para filtrar la luz no deseada si el sistema de condensación y acumulación empleado no tenía esta capacidad. La salida de un tubo estrecho hueco reflejante y un CPC normalmente tiene un perfil espacial no-uniforme.

Otra modalidad de una luz guía de la presente invención se describe en la Figura 4. Un lente negativo 11 , cuando es usado como la luz guía, redirige los rayos rs y re al dispositivo de salida 7 tal que los rayos se desvían más hacia la superficie del sitio objetivo. En la modalidad preferida, se usa un lente con una cara plana importante. Esta desviación resulta en acoplamiento más eficiente debido al NA más pequeño y un sitio más grande. Cristales negativos usados como la luz guía, como varillas vestidas estrechas y rayos fusionados estrechos, pueden actuar como filtros de longitudes de onda de luz no deseadas. Cuando se usa un lente como luz guía, debería anotarse que la luz emanada de la guía será espacialmente no-uniforme y puede contener anomalías esféricas. El uso de un lente negativo en combinación con un paquete fusionado mejorará la uniformidad espacial. En las modalidades alternativas de la presente invención, un paquete fusionado o varilla cilindrica revestida tiene un NA y diámetro similar a ese del dispositivo de salida puede ser colocado entre la luz guía y el dispositivo de salida tal que la luz de la luz guía se transfiere a través de la varilla o paquete al dispositivo de salida. Un diseño que incorpora cualquiera de los dos tendría implicaciones prácticamente ventajosas. El perfil espacial de la salida de un paquete fusionado de fibras ópticas es uniforme, aún si el perfil de entrada fuera no-uniforme. Por consiguiente, cuando una luz guía que produce un perfil espacial no-uniforme se usa, como por ejemplo, una varilla revestida estrecha, un lente negativo, o un tubo estrecho hueco reflejante, tal como un paquete fusionado puede proporcionar una entrada Lkáybi& fiaiá* uniforme al dispositivo de salida de fibra óptica. Una varilla revestida usada para tal propósito sería especialmente ventajosa si el dispositivo de salida de fibra óptica fuera particularmente sensitivo al calor, y por lo tanto necesitada para ser eliminada del calor presente en el sito objetivo. Una habilidad en el trabajo quitará el tipo particular de luz guía empleada en las modalidades de esta invención variará de acuerdo al propósito y los detalles del dispositivo de salida y sistemas de condensación, incluyendo; si el filtro de luz se desea, si el dispositivo de salida de fibra óptica es particularmente sensitivo al calor, si un perfil espacial uniforme es necesario, y si el sistema específico tiene restricciones de tamaño. Para acumulación máxima de luz en el sitio objetivo en la modalidad mostrada, se prefieren dos condiciones: (i) el diámetro de salida del sitio objetivo 6 debe ser por lo menos dos (2) veces la longitud del espacio del arco para asegurar acumulación de más de 80% de la luz total en el sitio objetivo 6, y (¡i) la apertura numérica ("NA") del sistema de acumulación primaria en el sitio objetivo 6 debería maximizarse. Lo último se acompaña usando un recaudador primario con el NA más largo posible. Sin embargo el dispositivo de salida 7, como la fibra individual o paquete de fibra, puede tener un NA más bajo que el NA del recaudador. Por ejemplo, la luz en el sitio objetivo que viene del recaudador primario podría tener un NA de 0.7 a 0.8 y la fibra de salida o el paquete alrededor de 0.5 la cual es típica de los paquetes de fibras. Esta desigualdad en el NA, si la luz se acopla directamente a la fibra de salida, resultará en una perdida grande de luz y la generación de calor no deseado. En las modalidades preferidas de esta invención discutida más adelante, un dispositivo transformador 8, en la forma de paquetes fusionados estrechos y varillas revestidas estrechas, transforma la luz grande NA que emerge del recaudador primario en un NA más pequeño como se muestra por los rayos n y re en la Figura 1. Desde la óptica básica, si el diámetro de una luz guía se incrementa a lo largo de su longitud a través de afilar el cristal, el ángulo de iluminación, ?, disminuirá, y de ese modo la apertura numérica disminuirá también. Por lo tanto, afilando un paquete fusionado o varilla revestida de un área de entrada más pequeña en un área de salida más grande, el ángulo de iluminación se ajusta para igualar esa del dispositivo de salida 7. En términos del ángulo de iluminación, ?, diámetro de la sección cruzada de la fibra óptica, d, y apertura numérica, NA, la relación inherente: NAi x di = NA2 x d2 (1 ) donde NAi = sen ( ??/2 ) (2) aplica. En la presente invención, como se describe en la Figural , la s relaciones (1) y (2) están siendo manipuladas por la luz guía para optimizar la cantidad de luz para el NA y diámetro del dispositivo de salida de fibra óptica. La salida de la lámpara 1 proyectada al sitio objetivo 6 usando cualquier medio conocido, tal como un sistema de espejo primario cóncavo esférico, toroidal o elipsoidal. En las modalidades preferidas de la invención, se obtienen mejores resultados teniendo un sistema de imagen 1 :1 , como el trabajo previo de configuración fuera de eje mostrado en la Figura 7, debido a ÍH:Í.:Í .t », *.«- .£ » — ?_ la densidad de flujo aumentada que proporciona al objetivo. Para los sistemas de condensación y acumulación de luz que no producen una imagen 1 :1 de la fuente de luz tal como un arco de lámpara, el sitio debe ser pequeño comparado con el tamaño del objetivo para incluir las ventajas de esta invención como se describe más adelante. En general el tipo de acumulación de luz y el sistema de imagen se usa y determina a menudo por el tamaño y dimensiones del objetivo, el tamaño y tipo de luz guía, o el diámetro y tipo del dispositivo de salida de fibra óptica, y todas sus aperturas numéricas respectivas. La acumulación de luz y sistema de imagen ilustrado en la Figura 1 utiliza un reflector toroidal cóncavo en la configuración de fuera de eje y produce aproximadamente un 1 :1 , o imagen de arco no ampliada. Sin embargo, debido a las alteraciones ópticas inherentes de un sistema de imagen 1 :1 , la máxima acumulación de eficiencia se logra si el diámetro de sección de cruz de entrada del dispositivo de transformación óptica, o la luz guía es dos a tres veces el tamaño del espacio del arco de la lámpara. Para acumular la mayor cantidad de luz total posible, la apertura del reflector fuera de eje se hace tan larga como sea posible. Por ejemplo, en un sistema fuera de eje como la de la Figura 1 , el NA se diseña típicamente para ser de alrededor de 0.7, lo cual produce un cono de luz que tiene un ángulo sólido de aproximadamente 90 grados. Un sistema de apertura numérica mas grande es posible y solo está limitado por la distribución mecánica de los componentes. Este ángulo se indica como ?i, en la Figura 1. Para aumentar e xl ^_ *_ _ , tA , , i • A MS**A la salida más allá, se coloca un retro-reflejante 5 detrás de la lámpara directamente opuesta al espejo primario. El retro-reflejante reflejará luz por atrás a través de la lámpara y se enfoca a través del arco, aumentando la luminosidad acumulada por el espejo primario e incrementando la salida total 5 en el punto de imagen, la posición del sitio objetivo 6. Para permitir máximo acoplamiento de luz dentro de una fibra plástica sin daño, como por ejemplo por calentamiento, un paquete fusionado puede colocarse entre la varilla revestida estrecha o el paquete fusionado estrecho y la entrada de la fibra plástica. Si una varilla revestida estrecha es el dispositivo transformador 10 óptico, el paquete fusionado también facilita la mezcla de los modos de transmisión para así producir una salida más uniforme para acoplarla a una fibra plástica individual o un paquete de fibra. Además del uso de un objetivo individual largo, la invención facilita el acoplamiento y transmisión más eficiente de alta densidad de luz a 15 través de fibras múltiples como el objetivo. Esto no solo incluye un paquete de fibras de cientos o miles de fibras de diámetro pequeño, aproximadamente 50 micrones en diámetro, sino también paquetes de fíbras largas que pueden transmitir suficiente cantidad de luz para usarse en aplicaciones que van desde la iluminación quirúrgica hasta la iluminación de pantallas comerciales. 20 Como con un objetivo de fibra individual, un objetivo de fíbra múltiple que consta de fíbras individuales de cristal, de cuarzo o de plástico puede acoplarse directamente o, dependiendo de la salida del tipo particular de luz guía usada, a través de paquetes fusionados intermediarios para minimizar **»*•<**** '*** *** > t ^A . , . u . &jy los daños al objetivo de fibra. Los dispositivos típicos de salida de fibra óptica pueden variar de un paquete de fibra, que consta de fibras ópticas de diámetro pequeño, tradicionalmente menores de los 80 micrones de diámetro, • hasta una fibra óptica individual de diámetro grande hecha típicamente de 5 plástico. Para un objetivo con múltiples fibras donde cada fibra tiene un área seccional de cruz de A (f), el número total de fibras del interior del paquete es necesariamente menor que el número obtenido al dividir el área seccional de cruz de la salida del paquete por A (f). Otra modalidad de la presente invención puede dirigirse desde la 10 luz directa hacia una pluralidad de fibras como el dispositivo de salida de fibra óptica, donde cada fibra es tradicionalmente mayor a 0.1 mm de diámetro y menor a 5 mm en diámetro interno. Esta aplicación adicional de la invención proporciona a un sistema de luz de fibra óptica distribuido, donde la luz máxima a través de cada fibra óptica se logra transformando la apertura 15 numérica del sistema de acumulación de luz para igualar aquel de las fibras ópticas individuales. Además, el uso de ya sea un paquete fusionado estrecho o una varilla revestida estrecha en conjunto con un paquete fusionado proporciona una salida casi uniforme para acoplar aproximadamente la misma cantidad de luz dentro de cada fibra óptica 20 individual en el paquete de salida. Intrínsecamente, una varilla revestida estrecha es más eficiente en una transmisión total que un paquete fusionado estrecho. Por otro lado, una varilla revestida estrecha requiere, para transformar el NA completamente, una longitud más larga que un paquete fusionado estrecho, y requiere una longitud mucho más larga para mezclar los modos de la varilla. Esto es, la longitud estrecha de una varilla revestida, requerida para cambiar el NA y mezclar los modos para producir una salida uniforme, es sustancialmente más larga que la requerida para cambiar solamente el NA. El diámetro pequeño de las fibras individuales en un paquete fusionado estrecho, típicamente menor a los 80 micrones, transforma el perfil angular y espacial dentro de aproximadamente 30 diámetros de la fibra individual. En contraste, una varilla revestida estrecha requiere una longitud mucho más larga para cambiar la apertura numérica y producir una salida uniforme espacial. Con lo relacionado a una varilla revestida, un paquete fusionado es menos eficiente, la aplicación de cualquiera, como la luz guía en modalidades de esta invención dependerán de las dimensiones del dispositivo de salida de fibra óptica y la distribución del sistema recaudador primario. La apertura numérica final y eficiencia global para la transformación en caso de un paquete fusionado estrecho o varilla revestida estrecha se determina de acuerdo a la geometría óptica simple y varia de acuerdo al ángulo y longitud estrechos y sobre la cual la estrechez ocurre. Dado que la fuente de luz para cada modalidad tiene un espectro ancho de salida, la discriminación de la longitud de onda se logra en la invención a través del uso de baños dieléctricos aplicados al reflejante - .1 *. ^a., ***££&, j _^ primario del sistema de acumulación de luz y/o a la superficie de salido o entrada de los dispositivos de transformación de luz.

EJEMPLO 1 5 El emplear un sistema de imagen fuera de eje que tiene un aumento 1 :1 , como el que se describe en la Figura 1 , impacta sobre la elección del resto de los componentes. Debido a que el espejo primario tiene un ángulo largo de acumulación, la imagen objetivo inherentemente 10 experimenta astigmatismo y otras alteraciones ópticas que causan que la imagen sea necesariamente más larga que el tamaño del espacio del arco. Se logra la máxima eficiencia de acumulación en un sistema de imagen 1 :1 si el diámetro de entrada del dispositivo de transformación óptica 8 es dos o tres veces el tamaño del espacio del arco de la lámpara y la apertura numérica de 15 entrada del dispositivo de transformación es similar a la apertura numérica de la luz que incide sobre el sitio objetivo. En la Figura 1 , el NA del sistema de imagen fuera de eje es aproximadamente 0.7 y el NA del dispositivo de transformación óptica es 0.66 o más largo. Si el dispositivo de salida es de fíbra óptica individual de núcleo 20 de plástico de 12 mm de diámetro con un NA de 0.6, cualquier sistema de imagen que produce un pequeño sitio enfocado que es menor a aproximadamente 6 mm, sería apropiado. Para el aumento presente 1 :1 en un sistema de imagen fuera de eje, una lámpara con un espacio de arco de aproximadamente 3 mm sería apropiado para asegurar por lo menos 80% de acumulación de luz en el sitio objetivo tomando en cuenta las alteraciones ópticas en el sistema que distorsionan la imagen. En términos generales para esta modalidad, el diámetro, d3, del dispositivo de salida de fibra óptica debería ser aproximadamente igual a, o mayor que el diámetro de salida, d2, de la luz guía estrecha y del diámetro de entrada de la luz guía estrecha, di, la cual es menor al d2 y al d3, debe ser aproximadamente 2 veces la longitud del espacio del arco (o casi igual al tamaño de imagen de sitio para el radio del espacio del arco para algunos tipos de sistemas de imagen de propiedades de aumento no especificadas). Además, el NA de la fibra óptica de salida, NA3 debería ser ¡gual al NA2, el NA de salida del dispositivo de transformación óptica 8, y el NA1 de entrada, más grande que el NA2, debería ser similar al del sistema de acumulación de luz para producir eficiencia óptima global. Además, el ángulo y longitud estrechos del elemento 8 se determina por la ecuación 1.

EJEMPLO 2 Dado que la eficiencia máxima de acumulación de esta invención depende de ambos, condensación y acumulación/imágenes ópticas y del diseño de la luz guía, existe una familia de configuraciones o modalidades preferidas que incrementarán la cantidad de luz acumulada transmitida a través de un objetivo de fibra óptica dependiendo del tamaño del .. AMÍ . -. — -. « ¿a* Mñ objetivo. En una configuración de fuera de eje, para obtener eficiencia de acumulación más alta del espejo primario, requiere que el NA real del espejo primario se incremente. Sin embargo, al incrementar el ángulo sólido sobre el cual la luz se refleja hacia el objetivo, algunos rayos se ampliaran y algunos otros se reducirán en lugar de la imagen 1 :1 como se muestra en la Figura 2. Por ejemplo, el rayo re como se muestra en la figura tiene el punto de reflexión en el espejo más cerca de la lámpara 1 que el sitio objetivo 6 y este dará una imagen ampliada sobre el objetivo. El rayo , como se muestra, tiene el punto de reflexión en el espejo más cerca del espejo que de la lámpara, dará una imagen más reducida. El tamaño de la imagen global, compuesto de la suma de todos los rayos, incrementará el tamaño de sitio global 1 :1. Para compensar por el incremento en el tamaño de la imagen se requiere que el diámetro de la salida de la varilla estrecha o el paquete fusionado sea ¡ncrementado para maximizar la eficiencia de acumulación y debería estar típicamente en algún lugar entre alrededor de 2 a 3 veces la longitud del espacio del arco de la fuente de luz. Por consiguiente, un sistema óptico fuera de eje de imagen no-uniforme, como la que se muestra en la Figura 2 tiene ampliación parcial de hasta 3:1 con un espacio de arco de 2 mm produciría un diámetro del sitio objetivo de aproximadamente 6 mm, suponiendo que no haya alteraciones y requiere una entrada de 6 mm para la varilla estrecha. fc .Lt... S ... í . , . t. y*. A. - , Ly , EJEMPLO 3 Otra forma de acumular y utilizar luz sobre un ángulo de • acumulación más largo es para usarse un reflector elíptico extendido como se 5 muestra en la Figura 3. Usando esta configuración, la mayoría de la luz es acumulada por el reflector, pero la ampliación no es 1:1. Típicamente, tal configuración tendrá una ampliación de no menos de 3:1. El NA de luz en el objetivo en este caso es aún demasiado largo, aproximadamente de unidad, para acoplarse en un objetivo de diámetro largo, como un paquete de fibra o 10 una fibra individual de plástico larga, cada una con un NA de aproximadamente 0.5 a 0.6. En sistemas de trabajo anteriores que incorporan reflejantes de condensación y acumulación elíptica, el reflejante se trunca y no incluye la parte llamativa del reflejante 3a en la Figura 3. La luz de la parte llamativa en sistemas de trabajo anteriores no pueden usarse 15 porque la luz acumulada de la parte alta del NA sería de un NA demasiado alto y no se acoplará en los objetivos de fibra típicos que tienen NA típicamente de aproximadamente 0.6 o más pequeños. En esta modalidad de la invención, la transformación de una luz NA alta a una NA más bajo con una varilla revestida estrecha o paquete fusionado estrecho como la luz guía 20 8 permite flujo de luz adicional, transformada de un NA más alto a más bajo, para acoplarse dentro del objetivo de fibra óptica. Nuevamente, el diámetro de salida de la luz guía estrecha tendría que ser más larga que el sitio del ..^a^.... ..^.- .-^, ,... ,- ... ..„ . .. . ^ _ „ .. . . . .. . . . -. ... .. *~A? *? arco de la fuente, típicamente por lo menos tres veces más largo para tal configuración.

EJEMPLO 4 5 La transmisión de luz a través del objetivo se optimiza si la apertura numérica de salida de la luz guía estrecha es menor que la apertura numérica del dispositivo de salida de fibra óptica. El NA de la fibra óptica de salida está relacionado con el NA de la luz guía estrecha por la relación (1 ), y 10 el NA de entrada de la luz guía estrecha es típicamente igual a o menor que el sistema de acumulación e imagen óptica. La longitud del dispositivo de transformación óptica estrecha se determina por la proporción de entrada y salida del NA del dispositivo y si un paquete fusionado o una varilla revestida se estrechan. En cualquier caso, el NA de entrada de la luz guía estrecha 15 debe ser por lo menos igual al NA del sistema de acumulación primario en el sitio objetivo para máxima eficiencia de acumulación en el objetivo. - Por ejemplo, una varilla revestida estrecha larga de 5 pulgadas se usa como una luz guía. La varilla revestida estrecha tiene una diámetro de entrada de aproximadamente 2.5 mm y un diámetro de salida de 20 aproximadamente 4 mm. Esta varilla transforma la luz con un NA de entrada de aproximadamente 0.7 (como el de un sistema de acumulación primario como se describe en el Ejemplo 1) a un NA de salida de aproximadamente 0.45. Esta luz de salida se acopla eficientemente a un paquete de salida de fibra óptica que tiene un diámetro de 5 mm y un NA de 0.5. Comparado con una varilla revestida que no tiene estrechez, el incremento en la salida a través del paquete de fibra de salida es de aproximadamente 15% y puede incrementarse más allá mediante el revestimiento d i-eléctricamente de las terminales de entrada y salida de la estrechez con un revestimiento anti-reflejante.

EJEMPLO 5 En otra modalidad, un paquete fusionado estrecho que tiene un diámetro terminal de entrada de aproximadamente 6 mm y un diámetro terminal de salida de aproximadamente 10 mm se usa para acoplar luz de un arco de lámpara pequeño en un núcleo de fibra óptica larga, aproximadamente 12 en diámetro. Comparado con un paquete fusionado sin disminuir, la salida del núcleo de fibra óptica se incrementa en 22%. La invención que hasta ahora ha sido descrita, será patente para aquellos que tienen habilidad en el trabajo, que las modalidades de la invención pueden variarse y modificarse en muchas formas sin apartarse del espíritu y ámbito de la invención. Por lo tanto, cualquiera y todas las modificaciones intentadas para incluirse dentro del ámbito de las reivindicaciones siguientes.

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Claims (35)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un sistema para incrementar el acoplamiento de luz en un dispositivo de fibra óptica caracterizado porque consta de: - un sistema de acumulación y condensación electromagnético de proveedor de luz que tiene una lámpara con tamaño de espacio de arco S y que tiene una apertura numérica NAo; - una viga de luz guía de fibra óptica la cual es un lente negativo, o una luz guía que tiene una terminal de entrada para recibir luz de dicho sistema de condensación y acumulación y una terminal de salida para imprimir luz de la luz guía, dicha terminal de entrada de la luz guía que tiene una apertura numérica de entrada NAi y un diámetro de entrada di, dicha terminal de salida de la luz guía que tiene una apertura numérica NA2, y un diámetro de salida d2, donde dicho NA1 es menor que o igual a dicho NAo, dicho NA2 es menor que dicho NA1, dicho S es menor que dicho di, y dicho di es menor que dicho d2; y - un dispositivo de salida de fibra óptica para recibir luz de la terminal de salida de la luz guía y la producción de luz, dicho dispositivo de salida que tiene un diámetro d3 y una apertura numérica NA3, donde dicho NA3 es mas grande que o igual a dicho NA2,, y dicho d3 es más grande que o igual a dicho d2. I?^ . ,..=^^, -^- ^ - - ^^*g ? £

2.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicha luz guía de fibra óptica consta de una varilla revestida estrecha.

3.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 1 , 5 caracterizado además porque dicha luz guía de fibra óptica consta de un paquete de fibra óptica fusionada estrecha.

4.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicha luz guía consta de un tubo hueco que tiene una superficie interna reflejante. 10

5.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado además porque dicho tubo hueco consta de un concentrador parabólico compuesto.

6.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicha viga de luz guía de fibra óptica es un 15 lente negativo.

7.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque dicho sistema consta más allá de una varilla revestida cilindrica o un paquete fusionado interpuesto entre dicho lente negativo y dicho dispositivo de salida para transmitir luz de la luz guía al 20 dispositivo de salida.

8.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho sistema consta más allá de un paquete r***** m*Í»** -> A -.- > . A... y y*A*...y. .. . „. ..^,.„ „ . . de fibra óptica fusionado interpuesto entre dicha luz guía y dicho dispositivo de salida para transmitir luz de la luz guía al dispositivo de salida.

9.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho sistema de condensación y acumulación electromagnético consta de por lo menos un reflector cóncavo esférico.

10.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho sistema de condensación y acumulación electromagnético consta de por lo menos un reflector cóncavo toroidal.

11.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho sistema de condensación y acumulación electromagnético consta de un reflector cóncavo elipsoidal.

12.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho sistema de condensación y acumulación electromagnético incluye un retro- reflector.

13.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho dispositivo de salida de fibra óptica consta de una fibra óptica.

14.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho dispositivo de salida de fibra óptica consta de una pluralidad de fibras ópticas.

15.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque dicho dispositivo de salida de fibra óptica consta de un paquete de dicha pluralidad de fibras ópticas. tf.?.t^ «.-. ,L» „ L ^ _ai?— _J_^JJHM?

16.- Un sistema para incrementar el acoplamiento de luz en el dispositivo de fibra óptica caracterizado porque consta de: - una fuente de radiación electromagnética, dicha fuente que provee radiación tiene un sitio de salida de diámetro S y tiene una apertura numérica NAo; - un dispositivo 5 de salida de fibra óptica para transmitir luz que tiene un diámetro d3 y una apertura numérica NA3; y - un dispositivo de transformación óptica para reducir la apertura numérica e incrementar el diámetro del sitio de salida de la radiación de la fuente de radiación y dirigiendo la radiación dentro del dispositivo de salida de fibra óptica, dicho dispositivo de transformación 10 siendo un lente negativo, o un dispositivo que tiene una apertura de entrada NA1, un diámetro de entrada di, una apertura numérica de salida NA2, y un diámetro de salida d2, donde dicho NA1 es menor que o igual a dicho NAo, dicho NA2 es menor que dicho NA1, dicho S es menor que dicho di, y dicho di es menor que dicho d2, dicho d3 es más grande que o igual que dicho d2. 15

17.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado además porque dicho dispositivo de transformación óptica consta de una varilla revestida estrecha.

18.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado además porque dicho dispositivo de transformación óptica 20 consta de un paquete fusionado de fibra óptica estrecha.

19.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado además porque dicho dispositivo de transformación óptica consta de un tubo hueco que tiene una superficie interna reflejante. •*aafc " ¡á^tó . ^^^^^^^

20.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 19, caracterizado además porque dicho tubo hueco consta de un concentrador parabólico compuesto.

21.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado además porque dicho dispositivo de transformación es un lente negativo.

22.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado además porque dicho sistema consta más allá de una varilla revestida cilindrica interpuesta entre dicho dispositivo de transformación óptica y dicho dispositivo de salida para transmitir luz del dispositivo de transformación al dispositivo de salida.

23.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado además porque dicho sistema consta más allá de un paquete fusionado de fibra óptica interpuesto entre dicho dispositivo de transformación óptica y dicho dispositivo de salida para transmitir luz del dispositivo de transformación al dispositivo de salida.

24.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 16, en la que dicha fuente de radiación electromagnética consta más allá de un reflector cóncavo esférico y un arco de lámpara.

25.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 16, en la que dicha fuente de radiación electromagnética consta de un reflector cóncavo toroidal y un arco de lámpara. «ai»*» ; , .L¿ y i,sy*. t .. ,, . Ll . «¡¡¿ ^. . ftiliftiflif ] *- *--*-• . .. . . . , ájatela*

26.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 16, en la que dicha fuente de radiación electromagnética consta de un reflector cóncavo elipsoidal y un arco de lámpara.

27.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 16, en la que dicha fuente de radiación electromagnética consta de un reflector primario y un retro-reflector.

28.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 16, en la que dicho dispositivo de salida de fibra óptica consta de una fibra óptica.

29.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 16, en la que dicho dispositivo de salida de fibra óptica consta de una pluralidad de fibras ópticas.

30.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 29, en la que dicho dispositivo de salida de fibra óptica consta de un paquete fusionado de dicha pluralidad de fibras ópticas.

31.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 1 , en la que dicha luz guía consta de un concentrador parabólico compuesto.

32.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 1 , en la que dicho sistema proveedor de luz consta de una lámpara seleccionada de un grupo consistente de lámparas xeno, mercury, mercury xenón y metal haiogenuro.

33.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 1 , en la que dicho sistema de condensación y acumulación electromagnética produce . L aproximadamente una imagen 1:1 de dicho tamaño de espacio de arco S en dicha viga de luz guía.

34.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 16, en la • que dicho dispositivo de transformación óptica consta de un concentrador parabólico compuesto.

35.- Un sistema de conformidad con la reivindicación 16, en la que dicha fuente de radiación electromagnética consta de aproximadamente ^ de un sistema de imagen óptica 1:1. MlMÍÍÍ-ÍÍÍ-flBf-- -*- """ S - - •- - '- --1' ,i??A*l»A.íi .?*ií** *.?A*~. ... . y ? «^. . -... _ . , .MM.^-.