TW504555B - Concentrating and collecting optical system using concave toroidal reflectors - Google Patents
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Description
504555 案號 89104821 Λ_ 曰 修正 五、發明說明（1) 本申請案為1995年6月7日建檔之美國序號08/488, 188號 申請案之部分連續，其又為1992年8月3曰建檔目前為美國 第5, 4 3 0, 6 34號專利之序號第0 7 / 9 24, 1 9 8號申請案之連續 案。 發明範圍 本發明關於收集及聚合電磁輻射系統，尤其關於產生一 高輻射物於一諸如一光纖之小靶標上之系統。 發明背景 傳統用於電磁輻射之收集與聚合設計，強調收集及重新 引導來自概略為一點光源之輻射源之最大光量。為了根據 這些設計產生一較小光點尺寸，將因傳統設計（亦即最大 光量之收集與重新導向）在當輻射來自傳統不連貫光源 時，天生地與集中輻射通量於一最小可能光點尺寸之目標 衝突而導致輻射通量之減少。因此，較小光點尺寸之影 像，僅可藉由通量密度之對應減少而獲得。 兩種基本光學設計被一般用以收集及聚合輻射。其一為 諸如圖1所示之聚合器鏡片系統。聚合器鏡片具有數項問 題，包含產生彩色及球面像差、較高成本、天生困難之校 正、以及大量之空間。圖2所示之橢圓形反射鏡，亦使用 於以往技術系統中。其問題亦包含高成本及不可避免之影 像放大（亦即通量密度減小）。兩系統均如上所述傾向在犧 牲通量密度下，強調重新引導來自點光源之最大通量。 其實例被納入本文參考（圖3 )之美國第4，7 5 7，4 3 1號專 利，說明一引用一偏軸球面内凹反射鏡之改良型聚合及收 集系統，其增強照明一較小乾標之最大通量，以及一較小
O:\61\61844.ptc 第5頁 504555 案號 89104821 曰 修正 五、發明說明（2) 革巴標之可收集通量密度。此專利中所述之偏軸球面内凹反 射鏡，具有某些缺點，亦即平行偏軸位移方向之散光，以 及天生需求減小此一距離之物理限制。散光效果會減少系 統之集中效率，因而減少在一靶標上收集之通量。減少光 „ 源及靶標間偏軸距離之需求（亦即減少散光扭曲），強制上 : 述實例之光源及靶標之物理尺寸之限制。使用一可變形球 面内凹反射鏡之理論，不會導致使用具有兩個垂直且不等 長曲率半徑之環形反射鏡。 發明總論 本發明以三種方式表示對美國第4，7 5 7，4 3 1號專利所發 表系統之改進：（i )增強集中及收集自一點狀電磁輻射源發 出之輻射於一較小靶標内；（i i )增加可收集通量於一小靶 標内；以及（i i i )改良美國第4，7 5 7，4 3 1號專利所述任何π 偏軸光學系統π之電磁輻射源與小靶標間之收集及偶合效 率，尤其在變換較佳實例為實際系統時為然。 為了獲致這些及其他目標，本發明沿兩個正交軸線（亦 即環形反射鏡），一電磁輻射源及一靶標（亦即光纖），如 同主要光學元件般採用一具不同曲率半徑之内凹反射面。 光源及靶標置於被定義為内凹環形反射鏡（π偏軸反射鏡 π )。光軸之系統光軸對立側之相似距離。為了在靶標處集 中最大之通量密度，一最好為環形設計或變通之球面設計 之逆向反射鏡，置於光源後方而自光源前後反射及重新聚 焦輻射光於環形反射鏡上。逆向反射鏡搭配偏軸環形反射 鏡作用為一系統，用以加大集中於靶標處輻射光之可收集 通量密度。系統概略以兩種方式改良靶標處之可收集輻
O:\61\61844.ptc 第6頁 504555 案號 89104821 曰 修正 五、發明說明（3) 射：（i )反射鏡之環形設計，改正同時由諸如弧光燈之制式 電磁輻射源之偏軸外形及玻璃外罩造成之散光現象；以及 (i i )逆向反射鏡增大輻射源之有效明暗度。系統之最大光 學效率，可藉由光學搭配反射鏡及靶標獲得，而靶標處之 最大通量密度，尤其可被一以光纖做為靶標所收集時，可 同時藉由加大系統效率及光學搭配光源、反射鏡、以及靶 標)而獲得。鑒於以往技術指導使用π同軸π橢圓形反射鏡或 可變形之”偏軸π球面内凹反射鏡，然而實際上採用非球面 鏡片甚為昂貴。本發明之一重要利多，在於使用極不昂貴 之非球形鏡片，環形，俾在靶標處集中光線，其中靶標處 之可收集通量密度，對鏡面之表面品質不敏感。 圖式簡述 圖1為以往技術聚光透鏡鏡片系統概示圖。 圖2為以往技術擴圓形鏡片糸統概不圖。 圖3 a為在以往技術系統X - ζ平面中，採用一球面反射鏡 之概示圖。 圖3 b為在以往技術系統y - ζ平面中，採用一球面反射鏡 之概示圖。 圖4a為本發明x-z平面中之概示圖。 圖4b為本發明y-z平面中之概示圖。
圖5為本發明實例之坐標系統。 圖6 a為一概示一凹面球形反射鏡光學影像位置之射線 圖，俾增大靶標之放射集中與收集。 圖6 b為一概示一凹面環形反射鏡光學影像位置之射線 圖，俾增大一靶標之放射集中與收集。宜注意以兩個曲率
O:\61\61844.ptc 第7頁 504555 _案號89104821_年月曰 修正_ 五、發明說明（4) 半徑補償光學像差之結果，在理論意念上幾乎收短I i及1 於最小混淆圓弧内。實際上，I i及12位於最小混淆圓弧内 (見圖6 a )，而最小混淆圓弧上之影像大小，隨環形設計之 最佳程度不同而大於光源之影像大小。 圖7 a為圖3 a中光學形態之概示圖，其擴大包含兩個偏軸 及兩個次要逆向反射鏡。 圖7b將圖5a中之兩個次要逆向反射鏡，減少為單一式近 乎半球面反射鏡，其隨光源不同而在正交平面上具有兩個 不同（環形）或相同（球面形）之曲率半徑。 圖8為光學形態之概示圖，其中反射鏡及光源以一自含 單元體組裝及概略製作。 圖8A放大顯示一靠近圖8中所示光纖靶標最佳位置置放 之視窗。 圖9為本發明之延伸，其藉由四個偏軸式環形反射鏡包 含四個與電磁輻射源連接之靶檁。 主要元件符號說明 A1全徑 1 1 ( y平面上之）聚焦點 1 2 ( X平面上之）聚焦點 Μ 1 環形反射鏡 Μ 2 逆向反射鏡 Μ 2 ’逆向反射鏡 0 光軸 r 偏軸曲率半徑 r lx (環形反射鏡之）半徑
O:\61\61844.ptc 第8頁 504555 案號 89104821 曰 修正 五、發明說明（5) r 1 y (環形反射鏡之）半徑 So 光源 T 靶標 y 〇 (距離光軸之）距離 發明詳述 為了解釋目的而非加以限定，下面敘述中將討論諸如微 粒數量、空間、光學元件等之特定細節，俾提供對本發明 之全盤了解。可是，對通曉本技術者明顯可見本發明可以 偏離這些特定細節之其他實例執行。在其他案例中，省略 熟知裝置及技術之詳細說明，俾不致於以不必要之細節， 朦朧本發明之說明。 根據本發明建造之聚光、收集及集中光學系統，包含三 種主要元件（圖4)。第四種之逆向反射鏡為選擇件，但其 可改進性能。
(1 )光源。一種電磁輻射之光點源。在本發明之内容 中，點光源為任何電磁輻射之聚合源，其角度範圍較小， 同時發射通量為4 7rstearadians。基本上，該一光源之線 性角尺寸不大於0 . 1弧度。譬如，一種制式光源可為一弧 距大約為1釐米之電弧燈，其置於凹面反射鏡前方大約5 0 釐米距離處。實際上，該一光源為一連續光源。在一較佳 實例中，其為一具有弧距^1釐米之緊湊式氖氣弧光燈， 以及一具有石英視窗之石英燈罩或石英封閉件。可是，可 以採用任何類似或小於靶標尺寸之電磁輻射源（諸如纖 維、鎢絲燈、氣體放電燈、雷射、抬頭顯示器、半導體 等）。此時之電磁源大小，最好由光度等高圖之1 / e光度界
O:\61\61844.ptc 第9頁 504555 案號 89104821 年 月 曰 修正 五、發明說明（6) 定，其張顯光源之明暗度（角範圍上之通量密度）。明暗度 與弧距大小有關，其決定偶合效率之理論極限。對一特定 案例之弧光燈而言，等高線約略呈軸向對稱，其為一電功 率、電極設計及成分、氣體壓力、弧距大小、以及氣體成 分之複雜函數。對一具有球面曲形外罩之特定弧光燈案例 而言，由反射鏡成像之光源有效相對位置及光度分佈將造 成像差。此由外罩形狀造成，其主要功能為一鏡片，同時 需要一補償光學元件。光學補償可藉由修改反射鏡設計以 補償由外罩造成之散光現象、或藉由插入一修正透鏡於偏 軸反射鏡（見下面所述）及靶標間而成就。此外，光學塗層 可施加至外罩上以減少F r e s n e 1式反射，因而加大乾標上 之收集輻射，或是控制及/或過濾輻射通量。 (2 )反射鏡。反射鏡（偏軸式）自光源反射及聚焦電磁輻 射於靶標上。其光軸界定系統之Z軸，而光源及靶標同時 相對Z軸偏軸。在本發明之内容中，反射鏡為部分之相對 光源内凹之環形反射鏡，其確切設計及位置隨光源及靶標 之特性而定。在本發明較佳實例中，其確切設計隨光源及 靶標之特性而定。這些特性如下·.對靶標而言，（i )尺寸、 (i i )形狀、（i i i )偏軸位移（如下所述）、以及（i v )針對一 光纖靶標而言，相對偏軸反射鏡之末梢端之數位鏡徑、外 徑及角度，其被界定為纖維橫軸與縱軸間之角度；對光源 而言，（i )尺寸及明暗度、（i i )有效之數位鏡徑、以及 (i i i )由可能存在之外罩或封閉物造成之散光現象。光學 塗層可施加至反射鏡表面以增強反射或控制及/或過濾輻 射通量。外加之散光修正，可以一透鏡或傾斜一插入於反
O:\61\61844.ptc 第10頁 504555 案號 89104821 曰 修正 五、發明說明（7) 射鏡及靶標間、具有或未具光學或誘電塗層之平板成就
(3 )靶標。靶標為一小物體，其需以最高可能之通量密 度電磁輻射發光或照明。在較佳實例中，其為一具有外徑 接近1釐米或更小之單一光纖。光纖、外徑及數位鏡徑之 特性，必須搭配包含光源及反射鏡之系統之光學特徵。收 集及傳送效率可藉由添加光學準備至纖維輸入端而擴大或 控制。變通地，靶標可為單一光纖或一組具有類似或非類 似形狀、尺寸、材料及數位鏡徑之光纖，其對稱或非對稱 地排置。纖維末端垂直纖維縱軸基本上呈平滑光面；可 是，反射鏡末梢端可以一角度擦光，俾（i )同時補償諸如 一弧光燈之電磁輻射源之不對稱影像、以及由偏軸外形及 燈罩導致之散光現象，（i i )修正纖維與光學收集系統之相 對數位鏡徑、以及（i i i )相對系統光軸調整一光纖靶標末 梢端縱軸之相對角度。
(4)逆向反射鏡。逆向反射鏡通過一光源前後而反射及 重新聚焦輻射，、有效地藉由重疊一輻射逆向光度分佈於初 始光源上而增加光源明暗度。在本發明較佳實例中，逆向 反射鏡為相對光源内凹之環形反射鏡之一部分。在一變通 實例中，逆向反射鏡為球面反射鏡之一部分。其確切設計 隨光源相對靶標大小（及在一光纖靶標案例下之數字通孔） 以及因可能之光源外罩引起之非球面改正之形狀及尺寸而 定。此外，光學塗層可施加至逆向反射鏡表面以有效增強 或控制，過濾及/或衰減輻射通量。 圖4a及4b概示一根據本發明之理想化集中收集系統。系 統光軸0對立側上為一光源S。及靶標T，其均距離光軸一段
O:\61\61844.ptc 第11頁 IJ。）同樣地’:：J界定為與：i心及光 此逆曲率半徑相等^M2置於光源5。後^ \交線 =2，射鏡，用二j之距離處。雖然而光 要不在靶標處聚合、：3化地集中徑向通 二圭貧例包i ft圖4所示，偏輪位^及收集輻射。 但其注 / 乂對本發明之 y<)對光源sfl及乾標均& j r;f!後者而言々之偏轴位移各能與u。為7 統光轴之確實位二射鏡之光細不同。此及光源之 數位鏡徑而定& ，將隨革巴樟之數位f > 、歹1中之有效系 說明，系：:有效當：：反射鏡:;：；：==有; 效數位鏡徑將與：；：；；之適當搭…反；； 在，，收，度心=匕j;不同：如果實^用之： 中之王鏡feAj。對靶標數/立句 ' 之該部分反射鏡小於圖 徑之系統而言，反射鏡之有效•位、偏轴反射鏡數位鏡 可觀知圖4a及4b中概示之系統幾 4，7 5 7，4 3 1號專利圖3 a及3 b發表者相°告、:形’與美國第 顯示以供作比較。如該專利所述，田類似’其在本文 加偏軸距離平方（yG2)除以偏軸曲率车=反射鏡之使用， )距離之限制。如下所述，此一 m心_慢（Γ ) ’小於光源（ 而緩和 〇 鏡徑。 鏡搜將小於其理論數位 504555 _案號 89104821_年月日__ 五、發明說明（9) 鑒於上述專利指導（i )光源宜相對球形凹面鏡而沿z軸置 於一相同於鏡片曲率半徑之距離，以及一偏軸距離yG，使 得（yoO/r^s。，以及（ii)靶標之最佳位置為界定為最少混 淆圓弧之影像點，進一步分析揭露靶標在此點之定位，不 必然如同美國第4，7 5 7，4 3 1號專利所定義者為最佳定位。 其確切位置端視反射鏡及/或置於靶標與光源間傳送透鏡 之光源特徵而定。其亦隨靶標及特定地對一光纖而言，隨 著其形狀、大小、數位鏡徑（N A )以及相對於末梢端光軸相 對偏軸反射鏡之剖面角度而變。因此，本發明為一可在乾 標處增大且增強射線通量之集中與收集之光學系統。其亦 增大且增強靶標之照明度。在如同靶標之多模式光纖案例 中，纖維可作用為一主動元件，其隨意且攪和傳送射線通 量，因而消除光學像差及光學記憶。圖5另外概示本發明 一實例之坐標系統。 由於本發明光學系統可藉由光源、靶標及光學元件之許 多變化而建造，因此一已知靶標之最大可收集通量位置， 界定為系統特定元件組之最大通量密度位置，同時可以或 不需與最大總通量密度、總通量、或是影像點（最少混淆 圓弧）重合。對於置於影像點上之靶標而言，本發明相較 於以往技術所成就者提供一增多放射通量密度之光學影像 系統。雖然如此，本系統非最佳地提供最大理論收集效 率。在本發明中置放一靶標之最佳位置，將隨靶標之特徵 而定，其可分類如下少 案例1 :對置於影像點上而與光源具類似尺寸或更大之靶 標而言，系統具有概略之單元放大。在此一案例下，系統
O:\61\61844.ptc 第13頁 504555 _案號89104821_年月日__ 五、發明說明（10) 基本上在當一光纖靶標具有一相同或大於偏軸鏡片之數位 鏡徑時最佳化。 案例2 :對小於光源之含_或對具有較案例1中偏軸鏡片 更小數位鏡徑之光纖靶標而言，存在特別用於一已知光源 以及一靶標之環形件，其可能不同於案例1地在靶標上最 佳化可收集之通量密度。因此，對一由案例2所述之靶標 而言，對一已知光源具有一對應之最佳環形件。這些特別 具有最佳偏軸環形反射鏡之非搭配尺寸之光源及靶標系 統，概略相同案例1中之單元體而放大成像，而乾標置於 成像點處。 案例3 :對内含一已知光源及對一最佳化一特定特徵（亦 即一如同案例1及2中討論之光纖乾標之外徑、形狀、數位 鏡徑）之靶標之實際系統而言，採用此一具有不同於那些 最佳靶標者之尺寸或數位鏡徑之靶標之最佳系統，可能相 對光源需要不同地定位靶標及反射鏡。在案例3中，系統 逸離單元放大，使得環形反射鏡基本上必須沿z軸轉移， 同時以一段距離相對於光源定位，俾最佳化該部位反射鏡 表面之定位，其在靶標之接收角度内，集中最大之通量密 度。相對於案例1及2，靶標位置可能實質地不同，而反射 鏡之有效數位鏡徑，搭配乾標之數位鏡徑。系統之有效光 軸，可能亦不同於圖4中之理想化外形。 在由案例3張顯之系統中，可能針對一已知靶標而存在 一具有類似可收集通量密度之點執跡。對弧光源及其他類 似之連續光源而言，該部分由一光纖靶標收集之光度等量 線，將隨靶標尺寸及同時隨靶標及偏軸鏡片之數位鏡徑而
O:\61\61844.ptc 第14頁 504555 _案號 89104821_年月日_^_ 五、發明說明（11) 變。因此，實際上在靶標上成像且收集之該部分光源產生 變化。對較小靶標而言，可能存在多於一個部位之光度等 量線，其在靶標上產生相同之可收集密度，使得靶標置於 一點執跡上，俾獲致類似之可收集通量密度。因此對案例 3而言，系統據言集中而非成像通量密度於靶標處之光源 之外。在此一類似通量密度之點執跡存在一已知靶標之案 例中，靶標尺寸總是小於光源尺寸，而光源將具有一隨其 公稱尺寸變化之光度等量線。 在本發明及在美國第4，7 5 7，4 3 1號專利中，光源射出通 量在聚焦點、成像點之衰減，’或是靶標之位置，主要由y 方向因偏軸幾何外形產生之散光現象造成。接著，對一内 含一諸如弧光燈罩之玻璃外罩之光源而言，散光現象因玻 璃外罩本身之球面形狀造成。在美國第4，7 5 7，4 3 1號專利 中，球面反射鏡之缺點為射線在y - z平面上之投影，較射 線在x-z平面上之投影，更靠近反射鏡收歛。本發明以取 代之環形表面，改良此一專利之教義，其沿y軸具較長之 曲率半徑，而沿X軸具較短之曲率半徑。半徑之不同造成 射線在y - z平面上之收歛被重新定位以與X - z平面上之收歛 重合。此一取代藉由減少整個系統之散光現象而減小聚焦 點之大小，因而同時增加光學系統之集中力以及增強在靶 標處之可收集射出通量。在一靶標置於最少混淆圓弧上之 特定案例中，一環形反射鏡概略減少影像之尺寸。譬如， 自均具有相同數位鏡徑及有效半徑之一具有1釐米公稱弧 距之氣氣孤光燈、自一球面反射鏡及一環形反射鏡而比較 藉由-1釐米直徑光纖所收集之最大可獲取通量，顯示環形
O:\61\61844.ptc 第15頁 504555 案號 89104821 曰 修正 五、發明說明（12) 反射鏡可增加高於4 0 %之最大可收集通量。 環形反射鏡優於球面反射鏡之另一優點，為當使用非理 想之點光源（亦即配具球形玻璃外罩之連續光源）時，其在 偏轴形態下減少及補償像差之可適應性。藉由圍繞ζ轴旋 轉環形反射鏡，可以補償任一這些像差，因而在光學系統 元件之製作公差上，可調整實際之變數。此一旋轉調整由 曲率半徑沿χ-ζ及y-z平面界定之有效聚焦長度，因而集中 輻射通量密度至一最大程度。因此，環形反射鏡之轉動， 藉由調整曲率半徑補償系統中之特殊像差而最佳化靶標上 之通量密度。 本發明較前述專利之實際改良，為針對各種尺寸之靶標 而言，最佳化乾標上通量密度之能力。 雖然類似光源容積之較大靶標，為了最大通量而如美國 第4，7 5 7，4 3 1號專利定義者在或靠近最少混淆圓弧處定 位，然而較小靶標可能不以為然。譬如，在一用以於一光 纖靶標上集中最大能量之特定案例環形反射鏡中（5 0釐 米，rly=5 1 . 9釐米），在纖維位置中之概略差異，隨纖維直 徑及數位鏡徑而變。當纖維直徑（1釐米）尺寸類似光源尺 寸且其數位鏡徑與反射鏡相配時，纖維如同美國第4，7 5 7， 4 3 1號專利教義所定義而靠近最少混淆圓孤，反之當數位 鏡徑概略較小時，其位置為了最大可收集通量密度之故而 可改變0 . 5釐米。針對兩個均具有類似光源尺寸直徑但其 數位鏡徑概略呈2個因數值不同之纖維而言，為了最大通 量密度而其位置間具有1 . 5釐米之差異，此乃由於影像點 之最大明暗度，隨通量密度之角度分佈而定，其同時相對
O:\61\61844.ptc 第16頁 504555 案號 89104821 曰 修正 五、發明說明（13) 反射鏡之數位鏡徑以及光源之明暗度而最佳化靶標上之數 位鏡徑。雖然在相對纖維尺寸及光源尺寸位置上之小於5 0 //( 1 //為1 0_12米）之較小差異，在傳至靶標之可收集通量 上無可量測得出之差異，但較大之錯位明顯具有可量測之 衝擊。為了找尋一已知靶標之最大可收集通量密度位置， 需要調整偏軸環形鏡片。因此對一不搭配之光學系統、靶 標以及反射鏡而言，靶標定位可能不同於一已知光源之搭 配型光學系統之定位。 美國第4，7 5 7，4 3 1號專利說明收集及聚合系統呈數位鏡 徑獨立。本偏軸收集系統需要光纖靶標及偏軸反射鏡之數 位鏡徑相互搭配且最佳化，以獲致最大之可收集通量密 度。對一不搭配系統而言，反射鏡之數位鏡徑必須大於靶 標者，俾藉由一纖維乾標而成就最大之可收集通量。對輻 射發射源而言，較高數位鏡徑之靶標及反射鏡，提供最大 之光學及收集效率，因而導致通量密度在靶標上之最大集 中。最佳化系統牽涉將光源特徵同時搭配偏軸反射鏡及靶 標特徵。此對一以孤光燈或氣體放電燈做為光源者而言， 涉及將明暗度；亦即在光源角度範圍之強度等量值，與系 統之光學特徵搭配。對任何描述偏軸反射鏡及靶標之已知 特徵組而言，最佳弧光尺寸及有效數位鏡徑將產生最高亮 度光源而可最佳地與靶標相連。 在本發明圖4中之理想化實例中，光源（sQ)及靶標（T )置 於聚焦點上，其與亦被定義為系統光軸之環形反射鏡I 之光軸等距且在其對立側。y - z平面内含光源、靶標以及 光軸。在以弧光燈做為光源之特定案例中（圖5 )，X軸平行
O:\61\61844.ptc 第17頁 504555 案號 89104821 曰 修正 五、發明說明（14)
光源之縱軸，其以弧距之電極定義。内含光軸之y - z平 面，可以或是不必與内含電5瓜及光纖乾標之平面重合。有 時期盼任一召妾0或T妾0或兩者皆妾0 ，確切值隨電孤、 反射鏡、光學傳送透鏡以及光纖之特徵而定。實際上，可 收集通量及系統效率可藉由傾斜光軸平面/3 5 °及/或T 5 °而增加5 - 1 0 %，俾成就一弧光燈源及纖維特徵之光學配 合，或 本發 弧燈之 鏡片及 當其置 片以及 任一靠 纖偶合 該一裝 形態被 球面及 燈有關 鏡將視 諸如以 差，同 理想狀 美國 y〇2/ r < s 靶標實 是定位靶 明幾乎更 光源，其 逆向反射 於内側時 逆向反射 近光纖靶 機構，被 置之性能 偏軸移位 環形反射 之球形玻 同環形設 陶瓷封閉 時在未封 況地模擬 第4, 757, Q之限制。 際置於鄰 造一諸如電 時置放偏轴 側或外側。 源、偏軸鏡 於外側時， 或是一光 靶標接合。 面形、以及 之案例中， 在於短弧距 軸逆向反射 之5瓜光燈， 罩誘導之像 内下，接近 標於y-z平面上方或下方。 理想之減少實地應用，需要建 在内含光源之同一封閉件内同 鏡。光纖靶檁可置於封閉件内 ，纖維被永久固定成為整個光 鏡封閉總成之一部分。當其置 標最佳位置（圖8 )置放之視窗： 用以將光源之聚焦影像與光纖 ，將隨偏軸鏡片是否環形或球 之程度而定。在偏軸移位最小 鏡大同小異。此一結構消除存 璃外罩内之像差，因而球面同 計般作用。沒有球面玻璃外罩 件及一視窗建造者，可避免外 閉光源及透鏡於一單一封閉件 4 3 1號專利說明使用一球面反射鏡，造成 此一限制限定系統之實體設計而需要將 靠外罩之最小偏轴距離。反言之，環形反
O:\61\61844.ptc 第18頁 504555 案號 89104821 曰 修正 五、發明說明（15) 射鏡之半徑（rlx & 可經選定而使得限制之y()2/r值獲得 相當地舒緩。此可容許光源/光源外罩與靶標間之額外空 間。此額外空間因外罩而消除聚焦點之潛在障礙，同時容 許置放光學元件（亦即濾網、改正傾斜板、鏡片等）或機械 元件（亦即快門、光圈等），俾減弱、控制及/或過濾投射 於靶標上之射出通量密度。在前述專利之較佳實例中，為 了獲得一球面反射鏡之最大可收集通量且其r = 50釐米而s〇 1釐米時，yQ被限制為不大於大約7釐米。由於最大外罩直 徑為4yQ而符合y〇2/r<sQ以及偏軸距離最小之兩項限制，因 此美國第4，7 5 7，4 3 1號專利需’求之燈罩最大直徑大約為2 8 釐米。實際上，此將光纖鄰靠外罩。當以一rlx=50釐米且 rly= 5 1 . 9釐米之環形反射鏡取代時，對一 1釐米光纖之最佳 位置為y 〇 = 1 0釐米，而在光纖標處之總收集能量，較美 國第4，7 5 7，4 3 1號專利所述取自相提並論之5 0釐米直徑球 面反射鏡者高出40%。因此對本文所述發明而言，yQ2/r>s Q，而此一特性可使得一光纖靶標遠離外罩。此一改良亦 便於使用具有更大直徑之燈飾。由於弧光燈直徑正比於其 操作瓦特數，一較大燈罩容許弧光燈在較高瓦數下操作， 因而增多可收集通量。就此時所述範例而言，可以使用一 具大約4 0釐米直徑之較高瓦數燈飾。 由於大多數弧形非對稱且其X及y空間迴異，因此1 0%程 度之收集輻射改進，可藉由在一角度下擦亮圓筒形光纖使 得剖面面積好似一橢圓形而實現。藉由自與光軸垂直而改 變纖維末梢端角度，光纖乾標之縱轴可經樞轉或轉動以加 大可收集通量密度以及靶標之發光或照明。
O:\61\61844.ptc 第19頁 504555 _案號 89104821_年月日__ 五、發明說明（16) 此時所述之基本光學形態可經膨脹而内含一第二凹反射 鏡心（亦即逆向反射鏡）。此逆向反射鏡置於光源後方，俾 經由光源前後反射及再聚焦於環形反射鏡上。凹反射鏡可 為球面形或是環形。使用此一凹逆向反射鏡而在可收集通 量中之改進，端視光源、光源外罩、偏軸環形反射鏡以及 靶標之特徵而定，其自1 0 %改變至7 5 %。逆向反射鏡宜光學 性地也搭配光源及其玻璃外罩（如有），以及搭配環形反射 鏡及靶標以產生一同時增加可收集輻射通量及系統效率之 系統。環形設計最適合具有玻璃外罩（封閉件）之光源，因 其有利於減少因球面外罩造成之散光現象。此一散光現象 之改正，可較一球面逆向反射鏡產生2 0 %之總收集輻射通 量之改良。一如圖8概示之自含系統，可隨靶標不同而以 球面或環形逆向反射鏡最佳化。 此時所述之光學形態，可經膨脹而包含複式偏軸反射鏡 (如同前述美國第4，7 5 7，4 3 1號專利所論），複式逆向反射 鏡及複式靶標。圖4中沒有逆向反射鏡M2之光學系統，可 提供總數為四個之偏軸反射鏡及四個靶標。當包含第二反 射鏡M2時，可如圖7所示減少系統至兩個偏軸反射鏡及兩 個靶標。圖8顯示減少圖7中之反射鏡Μ 2至一接近半球形之 單一逆向反射鏡。在四個偏軸反射鏡案例中，每一反射鏡 可自大約9 0度之實角中，收集電磁輻射。在兩個偏軸反射 鏡案例中，每一反射鏡可自光源中收集大約9 0度實角，而 一付反射鏡Μ 2或圖9中單一之逆向反射鏡，可分別以大約 9 0度或大約1 8 0度實角經由光源後方聚焦光線。圖8顯示減 少圖4中之光學形態，其中兩個反射鏡及光源被組裝而概
O:\61\61844.ptc 第20頁 504555 _案號89104821_年月日__ 五、發明說明（17) 略製作為單件之自容單元。實際上，任何以一裝置組合偏 軸鏡片及逆向反射鏡以經由一視窗或光纖配件以連接靶標 與集中之通量密度，可被製作成單式自容單元。雖然偏軸 鏡片數目可增加至4片以上供需要4個靶標之應用需求，實 際上，此一光學系統並不能增大靶標上之可收集通量密 度。 根據一實例，本發明關於之裝置，其偏軸距離平方除以 曲率半徑，等於或小於電磁輻射光源之範圍（y<)Vr 。
O:\61\61844.ptc 第21頁 504555 _案號 89104821_年月日_修正 圖式簡單說明
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Claims (1)
- 504555 _案號891Q4821_年月日__ 六、申請專利範圍 1 . 一種系統，包含： 一高度擴散式、寬頻、不連貫之電磁輻射源，該光源 有其範圍； 一電磁輻射反射鏡，具有一心軸及一向該光源内凹之 概略環形反射表面，該環形反射表面分別在第一及第二正 交平面上，具有第一及第二曲率半徑，而該第一曲率半徑 大於該第二曲率半徑，該光源靠近該反射鏡曲率中心，但 自該反射鏡心軸側向偏位一段距離，該距離平方與該第一 曲率半徑之比值，等於或小於該範圍；以及 一光纖靶標，其位置適可收集由該光源提供且由該反 射鏡收集及反射之電磁輻射。 2 · —種系統，用以聚合、集中及收集電磁輻射，俾提供 一高強度照明源，其在一小區域内具有儘量多之輻射通 量，該系統包含： 一第一主要電磁輻射反射鏡，具有一第一主要光軸及 一第一概略環形内凹反射表面，其由一第一平面内之第一 曲率半徑以及一與該第一平面正交之第二曲率半徑界定， 該第一主要反射鏡之該第一曲率半徑及第二曲率半徑不等 長； 一電磁輻射源，具有一範圍及靠近該第一主要反射鏡 之曲率中心，但在該第一平面上與第一主要光軸側向偏位 一第一偏轴距離，俾當自該第一主要反射鏡反射後，在一 於該第一平面内與該第一主要光軸側向偏位一第二偏轴距 離之第一影像點上，產生該光源之概略聚焦影像，其中該O:\61\61844.ptc 第23頁 504555 _案號 89104821_年月日__ 六、申請專利範圍 第一偏轴距離平方與該第一主要反射鏡之第一曲率半徑之 比值，等於或小於光源之範圍；以及 一靶標，靠近一最大可收集通量密度點，該最大可收 集通量密度點之位置，為該第一主要反射鏡之第一及第二 曲率半徑之函數。 3 .根據申請專利範圍第2項之系統，其中第一主要反射 鏡之該第二曲率半徑，被選定用以為該光源相對於該靶標 產生最大可收集通量密度。 4.根據申請專利範圍第2項之系統，其中最大可收集通 量密度，超越一球面系統之最大可收集通量密度，該球面 系統具有一球形反射面，其配置單一之曲率半徑，而其餘 者與申請專利範圍第2項中之系統全同。 5 .根據申請專利範圍第2項之系統，其中該第一及第二 偏軸距離之選定，大於球面系統之偏轴距離，其如同申請 專利範圍第二項之系統所述，具有一球面反射鏡，同時在 一最大可收集通量密度點上，成像相同之通量密度，而其 .餘者與申請專利範圍第2項中之系統全同。 6 .根據申請專利範圍第2項之系統，其中該第一主要反 射鏡之第一與第二曲率半徑間之差異極小，而該第一主要 反射鏡之第二曲率半徑之選定，係產生可為該靶標獲得之 最大可收集通量密度。 7.根據申請專利範圍第2項之系統，其中第一主要反射 鏡之該第二曲率半徑之選定，係基於該光源之大小、明暗 度、數位鏡徑以及光學像差而在該靶標處，產生該最大可O:\61\61844.ptc 第24頁 504555 案號89104821 年月日 修正 六、申請專利範圍 收集通量密度點。 8 .根據申請專利範圍第7項之系統，其中該第一主要反 射鏡之第二曲率半徑之選定，係改正導因於光源外罩之光 源像差。 9 ·根據申請專利範圍第2項之系統，其中該第一主要反 射鏡之第二曲率半徑之選定，係基於該靶標之大小、形狀 以及偏軸位移而在該靶標處，產生該最大可收集通量密度 點。 1 0 .根據申請專利範圍第2項之系統，其中第一主要反射 鏡之該第二曲率半徑，被選定在該靶標處產生一影像，其 與該光源大約同大小。 1 1 .根據申請專利範圍第2項之系統，其中該靶標置於該 最大通量密度點，其概略與第一影像點重合。 1 2 .根據申請專利範圍第2項之系統，其中靶標為一光纖 靶標，其具有一收集端靠近最大可收集通量密度點。 1 3 .根據申請專利範圍第2項之系統，另外包含一次要電 磁輻射反射鏡，其具有一由一第一曲率半徑及一次要第二 曲率半徑界定之次要光軸及一反射面，該次要反射面相對 該第一主要反射鏡配置於該光源後方，俾經由該光源前後 反射電磁輻射，產生該靶標之最大通量密度點。 1 4.根據申請專利範圍第1 3項之系統，其中該次要反射 鏡之該第二曲率半徑，根據該光源之大小、明暗度、數位 鏡徑及光學像差，被選定產生該最大通量密度點。 1 5 .根據申請專利範圍第1 3項之系統，其中該次要反射I ϋO:\61\61844.ptc 第25頁 504555 _案號891Q4821_年月日__ 六、申請專利範圍 鏡之第二曲率半徑，被選定產生一概略與該光源重合之該 光源影像，該光源影像大約與該光源同大小。 1 6 .根據申請專利範圍第1 3項之系統，其中該次要反射 鏡之第一與第二曲率半徑等長，使得次要反射鏡之反射面 為球面形。 1 7 .根據申請專利範圍第1 4項之系統，其中該次要反射 鏡之第二曲率半徑，被選定改正光源因光源外罩造成之像 差。 1 8 .根據申請專利範圍第2項之系統，其中電磁輻射源包 含一選自包含一交流電狐燈、直流電狐燈、氣體放電燈、 嫣絲燈、發光二極體、以及一半導體雷射群組之光源。 1 9 .根據申請專利範圍第2項之系統，另外包含一置於該 第一主要反射鏡與該靶標之間之修正透鏡，用以改進該聚 焦影像在該靶標上之聚焦。 2 0 .根據申請專利範圍第2項之系統，其中該靶標包含一 第一光纖靶標，其靠近第一影像點具有一收集端，該系統 另外包含： 一第二主要電磁輻射反射鏡，具有一第二主要光轴以 及一配置一曲率中心之第二概略環形内凹反射面； 該電磁輻射源包含一光源，該光源靠近第一及第二主 要光軸之交點置放，但與該交點偏位一第三偏離交點距 離，俾在該第一影像點及一與該第二主要光軸偏位一第四 偏軸距離之第二影像點上，聚焦且集中該光源之光線，該 第一影像點相對該第一主要光軸與光源對置，而該第二影O:\61\61844.ptc 第26頁 504555 _案號 89104821_年月日__ 六、申請專利範圍 像點相對該第二主要主轴與該光源對置；以及 一第二光纖靶標，其靠近第二影像點具有一收集端。 2 1 .根據申請專利範圍第2 0項之系統，其中第一及第二 主要反射鏡，製作成單一反射鏡。 2 2 .根據申請專利範圍第2 0項之系統，另外包含内凹之 第一及第二次要逆向反射鏡，其分別相對第一及第二主要 反射鏡而概略置於光源後方，俾經由光源前後形成概略與 光源重合之第一及第二光源影像。 2 3 .根據申請專利範圍第2 2項之系統，其中光源、第一 及第二反射鏡、以及第一及第二次要逆向反射鏡，在單一 封閉件内製作且安裝成概略一單元體，同時與該第一及第 二光纖靶標連接。 2 4. —種系統，用以聚合、集中及收集光線，俾提供一 用以照明之高強度光源，其在一小區域内具有儘可能多之 輻射通量，該系統包含： 一主要電磁輻射反射鏡，具有一光軸以及部分概略 環形反射面，其在一第一平面内由一第一曲率半徑以及在 一與該第一平面正交之第二平面内由一第二曲率半徑界 定，該第一曲率半徑與該第二曲率半徑不等長； 一光源，具有一限度且提供發散、寬頻、不連貫光 線，該光源被一外罩包圍，其靠近該反射鏡之曲率中心置 放，但在該第一平面内與該反射鏡光軸侧向偏置一段第一 偏軸距離，俾當自該反射鏡反射後，在一於該第一平面上 與該光軸側向偏置一段第二偏軸距離之影像點處，產生一O:\61\61844.ptc 第27頁 504555 _案號89104821_年月日__ 六、申請專利範圍 該光源之概略聚焦點，其中該第一偏轴距離平方與該主要 反射鏡第一曲率半徑之比值，等於或小於光源之限度；以 及 一光纖靶標，具有一縱軸及一靠近最大可收集通量密 度點置放之收集端，該最大可收集通量密度，為該主要反 射鏡第一及第二曲率半徑之函數。 2 5 .根據申請專利範圍第2 4 .項之系統，其中該主要反射 鏡之該第一及第二曲率半徑，經選定而使得該最大可收集 通量密度點，定位於該外罩外側。 2 6 .根據申請專利範圍第2 4 ·項之系統，其中該主要反射 鏡之該第二曲率半徑，經選定而為該光源相對該光纖靶標 產生可獲得之最大可收集通量密度。 2 7.根據申請專利範圍第2 4項之系統，其中該主要反射 鏡第一與第二曲率半徑間之差異最小，而其中該主要反射 鏡之第二曲率半徑，經選定而為該光纖靶標產生可獲得之 最大可收集通量密度。 2 8 .根據申請專利範圍第2 4項之系統，其中主要反射鏡 之該第二曲率半徑，經選定而根據該光源外罩之尺寸、明 暗度、數位鏡徑以及光學像差，在該光纖靶標上產生該最 大可收集通量密度點。 2 9 .根據申請專利範圍第2 4項之系統，其中主要反射鏡 之該第二曲率半徑，經選定而根據該光纖靶標之尺寸、形 狀、數位鏡徑以及偏軸位移而在該靶標上產生該最大可收 集通量密度。O:\61\61844.ptc 第28頁 504555 _案號89104821_年月曰 修正_ 六、申請專利範圍 3 0 .根據申請專利範圍第2 4項之系統，其中該光纖靶標 具有一數位鏡徑，而該光纖靶標之數位鏡徑不大於該光源 及該反射鏡之有效數位鏡徑，而其中該光纖靶標與該主要 反射鏡之影像點偏位。 3 1 .根據申請專利範圍第2 4項之系統，其中該光纖靶標 置於該最大通量密度點上，其概略與影像點重合。 3 2 .根據申請專利範圍第2 4項之系統，其中該外罩具有 一縱軸，而其中該外罩縱軸相對一與該第一平面垂直之平 面傾斜，俾在乾標處增加通量密度。 3 3 .根據申請專利範圍第2 4 ·項之系統，其中該反射鏡相 對該第一平面傾斜一角度以增加靶標之通量密度。 3 4.根據申請專利範圍第2 4項之系統，其中該光纖靶標 之收集端在一選定之角度上擦亮，俾增大由該光纖靶標收 集之光線量，同時改正由該外罩及該主要反射鏡造成之光 學像差。 3 5 .根據申請專利範圍第3 4項之系統，其中該收集端垂 直該光纖靶標之縱軸。 3 6 .根據申請專利範圍第2 4項之系統，其中該光纖靶標 由多數個捆合之光纖組成。 3 7.根據申請專利範圍第2 4項之系統，另外包含置於該 主要反射鏡及該光纖靶標間之修正透鏡，用以聚焦該聚合 影像於該光纖乾標上。 3 8 .根據申請專利範圍第2 4項之系統，另外包含一次要 光線反射鏡，其具有一次要光轴及一次要反射面，其由一O:\61\61844.ptc 第29頁 504555 _案號89104821_年月日__ 六、申請專利範圍 第一曲率半徑及一第二曲率半徑界定，該次要反射面相對 該主要反射鏡置於該光源後方，俾經由該光源前後反射光 線，同時為該光纖靶標產生一最大通量密度點。 3 9 .根據申請專利範圍第3 8項之系統，其中該次要反射 鏡之第二曲率半徑，根據該光源尺寸、明暗度、數位鏡徑 以及外罩像差而被選定以產生該最大通量密度點。 4 0 .根據申請專利範圍第3 8項之系統，其中該次要反射 鏡之第二曲率半徑，被選定以產生一該光源之影像，其概 略與該光源重合，且與該光源具大約相同之尺寸。 4 1 .根據申請專利範圍第3 8 '項之系統，其中該次要反射 鏡之第一及第二曲率半徑等長，使得次要反射表面為一球 面〇 4 2 .根據申請專利範圍第2項之系統，其中該第二偏轴距 離與該第一偏軸距離概略相等。 4 3.根據申請專利範圍第2 4項之系統，其中該第二偏轴 距離與該第一偏軸距離概略相等。 4 4.根據申請專利範圍第1 6項之系統，其中次要反射表 面之第一及第二曲率半徑不等長。 4 5 .根據申請專利範圍第3 8項之系統，其中次要反射表 面之第一與第二曲率半徑不等長。 4 6 .根據申請專利範圍第2項之系統，其中最大可收集通 量密度，超出球面系統之最大可收集通量密度，該球面系 統具有一配置單一曲率半徑之球面反射表面，該球面系統 偏轴距離平方與該球面系統光源限度之比值，小於該球面O:\61\61844.ptc 第30頁 504555 _案號 891Q4821_年月日__ 六、申請專利範圍 系統之單一曲率半徑。 4 7 .根據申請專利範圍第2項之系統，其中該第一主要反 射鏡之第一曲率半徑，為一相同於球面系統單一曲率半徑 之有效半徑，該球面系統包含一具有球形表面之反射鏡。 4 8 .根據申請專利範圍第2項之系統，其中該第一主要反 射鏡之第一曲率半徑，為一小於球面系統單一曲率半徑之 有效半徑，該球面系統包含一具有球形表面之反射鏡。 4 9 .根據申請專利範圍第2項之系統，其中第一主要反射 鏡之該第一曲率半徑，大於第一主要反射鏡之第二曲率半 徑0 ‘O:\61\61844.ptc 第31頁
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