[发明专利]利用级联抛物面反射镜的收集和聚集光学系统

说明书

本发明的技术领域

本发明一般涉及照明系统，特别涉及用于收集和聚集电磁辐射到一个很小点使之与目标耦合的光学系统。

本发明的背景技术

当收集和聚集从光源到目标的辐射、特别是可见光时，一个主要目标是使射在目标上的光之亮度为最大。人们已利用同轴椭圆面和抛物柱面反射镜的各种结构以及各种形状的离轴反射镜。由于在目标上产生的像点的明亮度理论上只能被保存在一个理想的光学系统中(在一个非理想系统中被减小)，那么，它就不可能增大在目标上的总通量并高于由光源发出的通量。

为克服这一基本缺陷，常用的一种方法就是利用弧光灯作为光源并结合反向反射镜，这样，从弧光灯一侧发射的光就被反向反射镜改变方向而折回穿过弧光。由于通过弧光的反射光的吸收作用很小，从弧光灯的相对侧发出的光包括了弧光本身发出的光和反向反射的光，因此，从与反向反射镜相对的弧光灯一侧发射的总光通量实际被加倍。其它在先技术的方法通过将来自弧光的光反射回多次而使这个原理得到延伸，因而进一步增大光通量，如Goldenlerg等人的美国专利(专利号4957759)所述。

参见美国专利(专利号5707131)，其说明书公开了利用多个灯结合多个凹面反射镜，以把第一灯的弧光的像点聚焦到一个离轴级联结构中的另一个灯的弧光。图1a和1b说明了利用一个级联系列的反射镜和排在离轴关系中的光源将光耦合到一个目标的原理，如上述专利所述。该系统包括三个主要组成部分：多个源S_i、多个反射镜M_i、和至少一个目标I。

该多个源S_i通常是点式电磁辐射源，如有弧隙的高强度弧形灯。然而，任何具有小发射面积的小型电磁辐射源都是合适的。

多个反射镜M_i将从源S_i发出的电磁辐射聚焦到至少一个目标I。在专利号为5707131的专利中，反射镜都是具有面向目标和光源之凹面的镜子，反射镜的反射面或是球面形、环面形或是椭圆面形，这样可以实现离轴反射，如该技术所示。

目标是一个小的物体，它被提供具有尽可能为最高密度电磁辐射的照明，例如单芯光纤或其它光学光导的端面。

当源到目标的距离很小时，尽管一个非级联离轴系统产生了最小的近似1∶1的放大倍数，用于在专利号为5707131之专利中已公开的级联结构，当多个灯和反射镜加入一个级联时，离轴系统产生的少量的放大倍数将增加并扩展。这样，目标点往往会经受相当大的放大倍数，通量密度相应减小，耦合到目标的光量也减少。由于在先技术中前述的及其它内在的缺陷，有必要提出一种改进的耦合系统，其中，光源能以1∶1的放大倍数级联，使得当增加更多的灯时不会降低级联的功效。

本发明的概述

本发明提供了一种光学系统，其中有多个光源和反射镜被设置在级联关系中，在这种形式下，这些光源的亮度被组合在一起并输入到目标，例如单芯光纤和其它光学光导。

本发明特别提供一种电磁辐射收集和聚集光学系统，用于提供在一小区域中带有较高辐射通量的高强度光输出，它包括一组级联光源和基本上呈抛物面形的反射镜，由于这样一个系统接近于在该目标的弧光的1∶1放大倍数，基本上不依赖于从光源到目标的距离，可以级联多个灯而不降低功效。

根据本发明的实施例，在目标上得到的亮度将高于采用单个光源的情况，并仅受级联设置在该特定结构中的光源及反射镜的数目的限制。本发明还可选择设置两个输出而不仅是一个输出。此外，利用一组级联的两个或多个光源，通过对单个光源的开关可以进行光强和波长控制。本发明的另一个特征是通过级联多个光源提供冗余(redundancy)。对于需要小于所有光源的光强度的应用，根据本发明的实施例，一个光源可用作备用光源，当另一个光源发生故障时，该备用光源被打开并几乎没有停止工作时间。

附图的简要说明

从以下的详细叙述和附图中将更充分理解本发明，这些内容仅作为说明给出，本发明并不限于这些内容，其中：

图1a和图1b是如已知的技术的收集和聚集系统的示意图，该系统具有设置在离轴结构中的级联灯和反射镜；

图2a是根据本发明的收集和聚集系统的基本单元的示意图，在组合中利用半抛物面准直反射镜、半抛物面聚焦反射镜和球面反向反射镜；

图2b是根据本发明的收集和聚集系统的基本单元的示意图，在组合中利用全抛物面准直反射镜、半抛物面聚焦反射镜和平板反向反射镜；