专利名称：使用抛物面反射器或对应椭球面/双曲面反射器对的收集和会聚光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于收集和会聚电磁辐射的系统，具体的，涉及含有用于收集从辐射源发出的辐射并将所收集的辐射聚焦在目标上的抛物面反射器的系统。
背景技术：
将电磁辐射收集和会聚并耦合到诸如单光纤或光纤束的标准波导，或者将其输出到投影仪的均质器的系统的功能目的是使在目标处的电磁辐射的亮度最大(即使光通量强度最大)。现有技术讲解了对采用球形、椭球形和抛物线形反射器的所谓同轴反射器系统和采用球形、环形和椭球形反射器的离轴反射器系统的应用。在目标的尺寸类似于电磁辐射源的弧隙的大小时，离轴反射器系统在目标处获得的效率和亮度比同轴反射器系统的高，由此使由光纤目标收集的光量最大化。对于其尺寸远大于电磁源弧隙的目标，同轴和离轴反射器系统两者都可有效地用于将来自辐射源的辐射收集和会聚(collecting & condensing)和耦合到一波导。
同轴系统的缺点是它们固有地会改变来自辐射源的辐射的方向，从而形成较大的图象，该图象依赖于所发射辐射的方向而定，因此破坏了当辐射源为非相干光源时将辐射收集和会聚为最小可能点的目标。例如，公知的同轴椭球系统所产生的放大率范围为从2到8，其依赖于电磁辐射的发射角度而定。各种放大的辐射束彼此重叠，由此引起所收集的图象的失真和放大。
此外，椭球形收集和会聚系统不产生平行(即准直)的辐射束。这是一个缺点，因为需要时平行光束可便于对该所收集的辐射的滤过。
在公知的同轴抛物线形系统中，反射束的发散也依赖于从辐射源的发射角度。而且，这种系统要求使用一个或者多个聚焦透镜，其在理想状态下，会产生失真的图象，实际上，通常会产生严重变形的图象，其大大地增加了图象的尺寸并使亮度或者光通量强度降低。另外，同轴系统的输出总是圆形对称的，因此不适合于非圆形目标。
美国专利US4,757,431号描述了一种经改进的收集和会聚系统，该系统采用一种离轴球形凹面反射器，该反射器能够提高照射一小目标的最大光通量强度和可由该小目标收集的光通量密度的量。在美国专利US5,414,600(其中，离轴凹面反射器为一椭球面)和美国专利US5,430,634(其中，离轴凹面反射器为一环面)中对该系统进行了进一步的改进。尽管在专利′634中描述的环形面系统可对散光进行校正，专利′600中的椭球面系统可提供比专利′431的球形面反射器更精密的耦合，但这些系统的每一个都要求在一高度弯曲的反射表面上涂覆一层光学涂层。将光学涂层涂覆在这种曲面上是昂贵的，并且实现均匀涂层厚度也很困难。此外，在这些系统中，源图象以相对小的空间从源被直接聚焦到一目标，由此使诸如滤光器和衰减器等的其它光学单元因缺乏空间而难以插入。
在光谱学领域，必需将电磁辐射聚焦至测试样品上一非常小的斑点上，且其后收集由该样品反射的辐射。离轴抛物面反射器已经被用于该目的。美国专利US3,986,767展示了一种系统，其中使用了离轴抛物面，平行光束被聚焦成小的光斑点直接到达一测试样品上。美国专利US Re32,912展示了该抛物面的使用，借此使用一个反射抛物面将光聚焦在测试样品上，且使用第二个反射抛物面收集该同一聚焦光。美国专利US4,473,295描述另一种使用反射抛物面来在/从测试样品上聚焦/收集辐射的结构。
美国专利US5,191,393及其对应的欧洲专利0401351B1描述了一种系统，借助于该系统，光从洁净室外部的位置被传输到洁净室内部的一个位置，用以完成小特征的光学测量。所描述的用于收集和传输光的一种结构包括弧光灯、两个抛物面反射器、单光纤目标和用于滤出不必要的波长的传输分色滤光器。第一抛物面反射器收集从源反射的离开滤光反射器的光并且产生平行光束。该平行光束可先通过一个或多个附加滤光器，然后到达第二抛物面反射器，该第二抛物面反射器收集该平行光束并将其聚焦到该单光纤目标。但是，这些参考文献中没有一个描述用于实现在源和聚焦图象间的单元放大率，以便在目标处获得具有最小失真的最大光通量强度的系统。
因此，需要提供一种使用抛物面反射器收集和会聚电磁辐射的方法，该方法使得在目标处聚焦的辐射束的光通量强度最大。
发明概述根据本发明的方面，一种经改进的用于收集和会聚电磁辐射的系统采用抛物面反射器并能够在源图象和目标上的聚焦图象之间实现单位放大率，或者接近单位放大率，由此在目标处产生最大的聚焦强度。具体地，本发明针对一种光学装置，用于收集来自电磁辐射源的电磁辐射并将所收集的辐射聚焦到一目标，该目标被由该源发射的至少一部分电磁辐射照射。该装置包括准直反射器和聚焦反射器。该准直反射器包括至少一部分回转抛物面，并且具有一光轴和在该光轴上的焦点。位于靠近准直反射器的焦点的源在平行于光轴的方向上产生从准直反射器反射的准直辐射线。该聚焦反射器包括至少一部分回转抛物面，并且具有一光轴和在该光轴上的焦点。相对于所述准直反射器对该聚焦反射器进行定位和定向，使得从该准直反射器反射的准直辐射线被聚焦反射器反射并被聚焦到位于靠近该聚焦反射器的焦点的目标上。该准直反射器和聚焦反射器的形状略有不同或者基本上为大小和形状相同，并且可以被定向为彼此光学对称，使得由准直反射器表面部分反射的每个辐射射线都由聚焦反射器的相应的表面部分反射到该目标以基本上实现单位放大率。
回射器可与该准直反射器结合使用，以获取由该源在离开该准直反射器的方向上发射的辐射并将该获取的辐射反射回来，穿过该源(即穿过该准直反射器的焦点)到达该准直反射器，由此增加从这里反射的准直射线的强度。
可将该准直和聚焦反射器布置成相对地、面对面的关系，同时，使各自的光轴共线，或可将它们布置为彼此成一个角度，在这种情况下，采用重定向反射器以将由准直反射器反射的准直射线改向到聚焦反射器。
或者，准直反射器和聚焦反射器中的一个具有基本上为椭球面的形状，而其中的另一个具有相应的基本上为双曲面的形状，两者构成一椭球面/双曲面对，且该椭球面/双曲面对的每个反射器彼此具有相应的尺寸和光学取向，使得由该准直反射器表面部分反射的每个辐射射线都被该聚焦反射器的对应表面部分反射到目标，以便较好地实现在源和聚焦到目标上的图象之间的近似单位放大率(aboutunit magnification)。根据实践，也可使用除1以外的较大或者较小的放大率，即从大约0.5到大约5的放大率，使用该放大率会导致亮度的降低。
在准直和聚焦反射器之间可设置滤光器或者其它光学元件。
以下，将参考附图描述本发明的实施例，各图中相同的元件或者特征使用同样的参考标号表示。
图1是根据本发明的收集和会聚光学系统的一实施例的剖面示意图。
图2是根据本发明的收集和会聚光学系统的立体图。
图3是本发明的收集和会聚光学系统的另一实施例的剖面示意图。
图4是本发明的收集和会聚光学系统的又一个实施例的剖面示意图。
图5a是本发明的收集和会聚光学系统的再一个实施例的剖面示意图。
图5b是沿线A-A所示方向所视的图5a的实施例的端视图。
图6是本发明的收集和会聚光学系统的另选择的实施例的立体图。
图7a是沿A-A所示方向截取的图6的实施例的剖面示意图。
图7b是沿B-B所示方向截取的图6的实施例的剖面示意图。
图8a-8f是可用于本发明各实施例的多个多边形波导目标的剖面示意图。
图9是可用于本发明的圆形波导目标的剖面示意图。
图10a是根据本发明一实施例的渐增的锥形波导目标的示意性侧视图。
图10b是根据另一个实施例的渐减的锥形波导目标的示意性侧视图。
具体实施例方式
参考附图，现在说明本发明的示例性实施例。这些实施例说明了本发明的原理，但不应当被解释为限制本发明的范围。
参考示出本发明一代表性实施例的图1，本发明与下述四个主要元件相关。
1.电磁源电磁源20较佳的是具有外壳22的光源。更好的是，该源20包括诸如氙灯、金属卤化物灯、HID灯、或者水银灯的弧光灯。对于某些应用，如果系统被改进成容纳不透光的白炽灯丝，则可使用例如卤素灯的白炽灯，以下将详细对此进行描述。
2.准直反射器准直反射器30包括回转抛物面的一部分，其具有光轴38和焦点36。在图2所示的实施例中，准直反射器30包括该回转抛物面的第一个四分之一圆周32和第二个四分之一圆周34。或者，准直反射器30可仅包括回转抛物面的大约一个四分之一圆周。该准直反射器30优选具有一反射涂层(例如铝或者银)并且该表面被高度抛光。对于某些应用，准直反射器30可由涂覆有可选择波长的多层介质涂层的玻璃制成。例如，可将仅在可见波长具有高反射率的冷涂料应用于可见光的应用中。将源20置于该准直反射器的焦点36，则接触到反射器30的电磁辐射将被反射为平行于反射器30的光轴38的平行光束。在源20为弧光灯的情况下，其弧隙与准直反射器30的焦距相比，最好短一些。
3.聚焦反射器聚焦反射器40包括回转抛物面的一部分，其具有光轴48和焦点46。如图2所示，聚焦反射器40包括一回转抛物面的第一个四分之一圆周42和第二个四分之一圆周44。或者，聚焦反射器40可仅包括一回转抛物面的大约一个四分之一圆周。聚焦反射器40的形状可以与准直反射器30的形状略有不同，或者可以与后者的大小和形状均基本相同。例如，如果准直反射器30包括一回转抛物面的单个四分之一圆周，则聚焦反射器40也应当基本上是该同一回转抛物面的单个四分之一圆周。
聚焦反射器40被如此定位和定向，使得由准直反射器30反射的准直电磁辐射照射到聚焦反射器40的抛物表面，并且此后被聚焦到聚焦反射器40的焦点46。为了获得在准直反射器30和聚焦反射器40之间的单位放大率(即聚焦图象与源的大小基本相同)，由准直反射器30的表面部分反射并准直的每个电磁辐射射线都应当被聚焦反射器40的相应的表面部分反射并聚焦，以便在焦点46处获得具有最大可能亮度的聚焦，这一点很重要。在本公开的上下文中，对准直反射器30和聚焦反射器40关于彼此进行定位和定向，以便由准直反射器30的表面部分准直的每个电磁辐射射线均被聚焦反射器40的相应的表面部分聚焦，以上对反射器的定位被称为以彼此“光学对称”的方式定位这些反射器。
4.目标目标60是要求以最大可能密度照射的小目标。在优选实施例中，目标60为诸如单芯光纤、熔融光纤束、光纤束或者均质器的波导。该目标的输入端，例如为光纤基端(proximal end)被定位在聚焦反射器40的焦点，以在此接收由聚焦反射器40反射的电磁辐射的聚焦射线。
如上所述，目标60可以是波导，其剖面可以是图8a-8f所示的多边形，或者是图9所示的圆形。而且，目标60可以是如图10a所示的渐增的锥形波导，或者是如图10b所示的渐减的锥形波导。
尽管目标和源与本发明的收集和会聚系统有着密切的联系，但根据本发明更广泛的方面，本发明涉及对两个抛物面反射器的使用，这两个抛物面反射器被设置为大小和形状基本相同，以便彼此在光学上对称。
继续对该收集和会聚系统进行说明，在图1所示的结构中，准直反射器30和聚焦反射器40彼此被以相对的、面对面的位置放置，使得彼此以凹面相向。通过以下布置可使图1所示的结构具有光学对称性调整准直反射器30和聚焦反射器40，使得它们各自的光轴38和48共线，且使准直反射器30的反射表面与实现单位放大率的聚焦反射器40的相应的反射表面彼此相对且面对面放置。
在另一实施例中，参考图1，准直反射器30和聚焦反射器40构成一为椭球面/双曲面对的准直/聚焦反射器对，其中该准直反射器30和聚焦反射器40中的一个具有基本上为椭球面的形状，而另一个具有相应的基本上为双曲面的形状，并且该椭球面/双曲面对的每个反射器之间大小和光学取向彼此对应，使得由准直反射器30的表面部分反射的每个辐射射线均被聚焦反射器40的对应的表面部分反射到目标，以较佳地实现在源和聚焦于目标上的图象之间的近似单位放大率。根据实际应用，也可使用伴随亮度降低的除1以外的较大或较小的放大率，即从大约0.5到大约5的放大率。
如图2所示，在准直反射器包括一回转抛物面的第一个四分之一圆周32和第二个四分之一圆周34，且聚焦反射器40包括一大小和形状相似的回转抛物面的第一个四分之一圆周42和第二个四分之一圆周44时，可提供两个目标，即光纤60a和60b，以便获得两个独立的输出。在该所示的实施例中，输出60a接收来自准直反射器30的第二个四分之一圆周34和聚焦反射器40的第二个四分之一圆周44的电磁辐射。输出60b接收来自准直反射器30的第一个四分之一圆周32和聚焦反射器40的第一个四分之一圆周42的电磁辐射。为允许同时放置这两个光纤60a和60b，聚焦反射器40的第一个四分之一圆周42和第个二四分之一圆周44必需沿聚焦反射器40的光轴在空间上彼此偏离少量的距离。
如图1和2所示，本发明的收集和会聚系统可以结合使用回射器50，在所示实施例中，其为一球形回射器。该回射器50被定位为收集从源20发射的电磁辐射，如果不被收集，这些电磁辐射也不会照射到准直反射器30。更具体地，该球形回射器50被如此构造和放置，使得从源20发射的沿离开准直反射器30的方向的辐射被回射器50反射回来，通过准直反射器30的焦点36，到达准直反射器30。对由准直反射器30反射的该附加的辐射进行准直并将其加入到直接从源20照射到准直反射器30的辐射中，由此增加被反射到聚焦反射器40的准直辐射的强度。结果，也增加了在聚焦反射器40的焦点46处的辐射的强度。
如果采用白炽灯作为源20，则回射器不可被定向为使得其将辐射聚焦返回并穿过准直反射器30的焦点36，因为该回射辐射将被位于焦点36的不透光的灯丝阻挡。在这种情况下，应当调节回射器50的位置，使得反向反射的辐射不是正好通过该焦点36。
作为对该球形回射器的替换，也可通过两维立体反射器阵列(未示出)来实现该回射功能，该阵列的单位元素的尺寸与源20的电弧的尺寸大小相当或更小。采用两维立体反射器阵列无需对回射器进行精确定位并将在源20的电弧处产生更紧密的聚焦。
正如图1所示，因为准直反射器30和聚焦反射器40之间隔开一定的空间距离，因此，可将诸如滤光器56的各种光学单元插入反射器30和40之间。因为在反射器30和40之间传输的电磁辐射被准直，因此这些光学元件可以具有简单的形状和设计。正如图1所示，滤光器56是一平面滤光器。
图3示出本发明的收集和会聚系统的另一种结构。在图3的结构中，目标62不再是单光纤，而是光纤束62(尽管所示结构能够与上述任何一个目标结合使用)。此外，在图3的结构中，具有光轴48′和焦点46′的聚焦反射器40′关于准直反射器30是偏离的。即，聚焦反射器40′的光轴48′与准直反射器30的光轴38′并不象在图1和2的实施例中那样是共线的。在准直反射器30和聚焦反射器40′之间的光学对称(即单位放大率)是通过采用与准直反射器30的大小和形状基本相同的聚焦反射器40′并通过将重定向反射器64精确地定位在从准直反射器30反射的经准直的电磁辐射的路径上来实现的。重定向反射器64为一平面反射器，使得所反射的辐射也是准直。重定向反射器64和聚焦反射器40′被精确定位，以便从准直反射器30和聚焦反射器40′两者的相应的表面部分反射该被重新定向的准直的辐射。
图3所示的布结构可用于空间或者其它限制不允许将准直反射器30和聚焦反射器40′布置为使得它们各自的光轴38，48′彼此共线的情况。应当理解，也可以采用一个或者多个附加的重定向反射器以允许聚焦反射器和准直反射器之间更多的空间变化，只要保持光学对称即可。
重定向反射器64可以是简单的反射器，或者可以是反射滤光器。
本发明的收集和会聚系统的另一个可选择的实施例示于图4。在图4的结构中，球形回射器50由次级准直反射器70代替，其由具有光轴78和焦点76的回转抛物面构成，该光轴78和焦点76优选为分别与准直反射器30的光轴38和焦点36重合。该次级准直反射器70优选为与准直反射器30的大小和形状相同。即，如果准直反射器30包括一回转抛物面的单个四分之一圆周，则该次级准直反射器70也将包括一类似回转抛物面的单个四分之一圆周。
平面反射器72被放置于次级准直反射器70的输出端，与光轴78基本垂直。如图所示，由源20发出的离开准直反射器30的辐射被该次级准直反射器70反射并准直。该由反射器70反射的与光轴78平行的准直辐射反射离开平面反射器72回到次级准直反射器70，并且此后被反射穿过焦点76和36到达准直反射器30，由此增加了反射到聚焦反射器40的准直辐射的强度。因此，该次级准直反射器70和平面反射器72一起起到回射器的作用。
如果该准直和次级准直反射器每个都包括一回转抛物面的两个四分之一圆周，使得它们在一起形成一个完整的回转抛物面，则次级准直反射器的每个四分之一圆周部分会将辐射回射到正相对的准直反射器的一个四分之一圆周。
本发明的收集和会聚系统的另一个可选择的结构示于图5a和5b。在图5a的结构中，系统包括cermax灯80，其具有阳极84，由阴极支持部件86支持的阴极82，以及在阳极和阴极之间的电弧87，其构成图5a的收集和会聚系统的源。cermax灯80包括一抛物面反光镜81，在其开口端覆盖有一窗口88。包括回转抛物面的第一个四分之一圆周92和第二个四分之一圆周94的抛物面反光镜81的上半部分构成该系统的准直反射器90。包括回转抛物面的第三个四分之一圆周102和第四个四分之一圆周104的抛物面反光镜81的下半部分分别构成次级准直反射器100的第一和第二个四分之一圆周。准直反射器90具有焦点96和光轴98，次级准直反射器100具有分别与准直反射器90的焦点96和光轴98重合的焦点106和光轴108。平面反射器110被放置在次级准直反射器100的开口端的前面，并且被放置为使得其与次级准直反射器100的光轴108垂直。
与图4的结构一样，在电弧87处发出的直接朝向准直反射器90的辐射被以平行于光轴98的准直射线反射到聚焦反射器40。在电弧87处发出的离开准直反射器90的辐射被次级准直反射器100准直并反射到平面反射器110。之后，该辐射被平面反射器110反射回到次级准直反射器100且穿过焦点96到达准直反射器90。因此，该次级准直反射器100和平面反射器110一起起到回射器的作用。该回射辐射与在准直反射器90处直接发出的辐射一起，被该准直反射器90的第一个四分之一圆周92和第二个四分之一圆周94准直，变成平行光束，穿过窗口88离开cermax灯80。为了实现以单位放大率将图象聚焦在目标上，将具有光轴48和焦点46的聚焦反射器40放置为关于cermax灯的准直反射器部分90光学对称，该聚焦反射器40的大小和形状与准直反射器90的相同。由该准直反射器90反射的准直辐射将被聚焦反射器40聚焦成一聚焦图象，该聚焦图像的尺寸类似于电弧87的尺寸。
图6和图7示出本发明的收集和会聚系统的另一个可选择的结构，其中，整个回转抛物面的反射输出被收集并会聚到一聚焦反射器120，该聚焦反射器120包括一回转抛物面的单个四分之一圆周，其具有光轴128和焦点126。具体地，该抛物面反射器110定义了准直反射器112，其具有光轴118和焦点116且包括该回转抛物面的单个四分之一圆周。抛物面反射器110还定义了具有光轴138和焦点136的第一次级准直反射器130，具有光轴148和焦点146的第二次级准直反射器140，以及具有光轴158和焦点156的第三次级准直反射器。焦点116，136，146和156最好象光轴118，138，148和158那样彼此重合。
可关于准直反射器112放置重定向反射器168，以便将反射器112的准直反射输出的方向重定向到聚焦反射器120，该聚焦反射器120被定位并放置为使其关于该准直反射器112光学对称。反射器168可以是简单反射器或者是反射滤光器。
第一平面反射器160被可操作地定位在第一次级准直反射器130的前面并且被放置为垂直于光轴138。反射器160将第一次级准直反射器130的准直输出回射到反射器130，因此起到回射器的作用。此后，该回射辐射被反射回来，穿过焦点136到达第二次级准直反射器140。
第二平面反射器162和第三平面反射器164被放置为彼此垂直，并且分别被可操作地定位在第二次级准直反射器140和第三次级准直反射器150的前面。由第二和第三平面反射器162和164交叉而成的直角形成的顶点166被设置为关于光轴118，138，148和158成直角。第二次级准直反射器140的准直输出被从第二平面反射器162反射到第三平面反射器164，且此后回到第三次级准直反射器150。如此回射的辐射被第三次级准直反射器150直接返回，穿过其焦点156到达准直反射器112，并且此后在被重定向反射器168改变方向后到达聚焦反射器120。
第三次级准直反射器150的准直输出被从第三平面反射器164反射到第二平面反射器162，并且之后被回射到第二次级准直反射器140。第二次级准直反射器140将如此回射的辐射直接反回，穿过焦点146到达第一次级准直反射器130。
因此，可以理解，由每一个准直四分之一圆周112，130，140和150收集的光均被聚焦反射器120集中和聚焦到目标122上。
权利要求
1.一种光学装置，包括电磁辐射源；待被由所述源发射的至少一部分电磁辐射照射的目标；准直反射器，其具有一光轴和在所述光轴上的焦点，所述源位于紧邻所述准直反射器的所述焦点的位置，以产生从所述准直反射器反射的沿基本上平行于所述光轴的方向的准直辐射射线；和聚焦反射器，包括一回转抛物面的至少一部分，所述聚焦反射器具有一光轴和在所述光轴上的焦点，所述目标位于紧邻所述聚焦反射器的所述焦点的位置，所述聚焦反射器关于所述准直反射器定位和定向，使得由所述聚焦反射器反射从所述准直反射器反射的准直辐射射线并将该射线基本上聚焦到所述目标上，其中，该准直反射器和聚焦反射器构成一准直/聚焦反射器对，该准直/聚焦反射器对可以是(a)一对反射器，该对反射器中的每个反射器包括一基本上为回转抛物面的至少一部分，且具有大约相同的尺寸和形状，准直反射器和聚焦反射器的大小和光学取向彼此对应，使得由所述准直反射器的表面部分反射的每个辐射射线都基本上被所述聚焦反射器的相应的表面部分反射到所述目标上，以便基本上实现在源和聚焦到所述目标上的图象之间的单位放大率，和(b)一对反射器，包括准直和聚焦反射器的椭球面/双曲面对，该椭球面/双曲面对的准直和聚焦反射器中的一个基本上为椭球面形状，而该准直和聚焦反射器的另一个基本上为相应的双曲面形状，并且该椭球面/双曲面对的每个反射器所具有的尺寸和光学取向彼此对应，使得由所述准直反射器的表面部分反射的每个辐射射线基本上都被所述聚焦反射器对应的表面部分反射到所述目标上，以便实现在源和聚焦到所述目标上的图象之间的从大约0.5到大约5的近似单位放大率。
2.根据权利要求1的光学装置，其中，近似单位放大率是在所述源和聚焦到所述目标上的图象之间实现的。
3.根据权利要求2的光学装置，其中，由所述电磁辐射源发射的一部分电磁辐射直接照射在所述准直反射器上，而一部分电磁辐射不直接照射在所述准直反射器上，且其中所述装置还包括一个或多个附加反射器，其被构造和安排为将未直接照射在所述准直反射器上的电磁辐射部分的至少一部分反射穿过所述准直反射器的焦点到达所述准直反射器，以增加该准直射线的光通量强度。
4.根据权利要求3的光学装置，其中，所述附加反射器包括置于所述源的与所述准直反射器相反的一侧的球形回射器，以将从所述源发射的沿离开所述准直反射器方向的电磁辐射反射穿过所述准直反射器的焦点到达所述准直反射器。
5.根据权利要求3的光学装置，其中，所述附加反射器包括次级准直反射器，其包括一回转抛物面的一部分，其所具有的光轴与所述准直反射器的光轴基本重合，该回转抛物面所具有的焦点与所述准直反射器的焦点基本重合，使得从所述源发射的沿离开所述准直反射器方向的电磁辐射产生从所述次级准直反射器反射的、平行于所述次级准直反射器的光轴的准直的电磁辐射射线；和一般平面反射器，其基本上垂直于所述次级准直反射器的光轴，并且被构造并安排为反射从所述次级准直反射器反射的准直的电磁辐射射线，以产生从所述平面反射器反射的、平行于所述次级准直反射器的光轴的准直的电磁辐射射线，该从所述平面反射器反射的准直射线此后被所述次级准直反射器反射穿过所述准直反射器的焦点到达所述准直反射器。
6.根据权利要求2的光学装置，其中所述准直反射器包括一回转抛物面的一个或者两个四分之一圆周。
7.根据权利要求6的光学装置，其中所述聚焦反射器所包括的一回转抛物面的四分之一圆周的个数与所述准直反射器包括的相同。
8.根据权利要求3的光学装置，其中所述准直反射器和所述聚焦反射器每个都包括一回转抛物面的单个四分之一圆周，并且所述附加反射器包括第一个、第二个和第三个次级准直反射器，每个都包括一回转抛物面的一个四分之一圆周，该回转抛物面所具有的光轴基本上与所述准直反射器的光轴重合，所具有的焦点基本上与所述准直反射器的焦点重合，使得从所述源发射的沿离开所述准直反射器方向的电磁辐射产生从所述第一个、第二个和第三个次级准直反射器反射的、平行于所述次级准直反射器的光轴的经准直的电磁辐射射线；第一个一般平面反射器，其基本上垂直于所述第一个次级准直反射器的光轴，并且被构造和安排为反射从所述第一个次级准直反射器反射的准直电磁辐射射线，以产生从所述第一个平面反射器反射的、平行于所述第一个次级准直反射器光轴的准直电磁辐射射线，该从所述第一个平面反射器反射的准直射线此后被所述第一个次级准直反射器反射穿过所述第二个次级准直反射器的焦点到达所述第二个次级准直反射器；和彼此垂直且被可操作地分别置于所述第二个和第三个次级准直反射器的前面的第二个和第三个一般平面反射器，所述第二个和第三个平面反射器被构造和安排为(1)从所述第二个平面反射器将从所述第二个次级准直反射器反射的准直电磁辐射射线反射到所述第三个平面反射器，以产生从所述第三个平面反射器反射的、平行于所述第三个次级准直反射器光轴的准直电磁辐射射线，该从所述第三个平面反射器反射的准直射线之后被所述第三个次级准直反射器反射穿过所述准直反射器的焦点到达所述准直反射器；和(2)从所述第三个平面反射器将从所述第三个次级准直反射器反射的准直电磁辐射射线反射到所述第二个平面反射器，以产生从所述第二个平面反射器反射的、平行于所述第二个次级准直反射器光轴的准直电磁辐射射线，该从所述第二个平面反射器反射的准直射线之后被所述第二个次级准直反射器反射穿过所述第一个次级准直反射器的焦点到达所述第一个次级准直反射器。
9.根据权利要求2的光学装置，其中所述准直和聚焦反射器的所述光轴彼此基本重合，并且其中所述准直和聚焦反射器相互之间以相对的、面对面的关系放置。
10.根据权利要求2的光学装置，其中所述准直和聚焦反射器的所述光轴彼此构成一个角度，并且所述光学装置还包括一重定向反射器，该反射器被构造和安排为将从所述准直反射器反射的准直电磁辐射射线反射到所述聚焦反射器。
11.根据权利要求2的光学装置，还包括置于所述准直反射器和所述聚焦反射器之间的滤光器，以滤出由所述准直反射器反射的准直辐射射线。
12.根据权利要求2的光学装置，其中所述源包括发光弧光灯。
13.根据权利要求2的光学装置，其中所述弧光灯包括氙灯、金属卤化物灯、HID灯、或者水银灯。
14.根据权利要求2的光学装置，其中所述源包括白炽灯。
15.根据权利要求2的光学装置，其中所述目标包括可以为单芯光纤、光纤束、熔融光纤束、或者均质器的波导。
16.根据权利要求15的光学装置，其中所述波导看可以是圆形剖面波导、多边形剖面波导、锥形波导及它们的组合。
17.一种用于收集由电磁辐射源发射的电磁辐射并将所收集的辐射聚焦到一目标上的光学装置，所述装置包括准直反射器，包括一回转抛物面的至少一部分，所述准直反射器具有一光轴和在所述光轴上的焦点，当电磁辐射源位于紧邻所述准直反射器的所述焦点时，所述准直反射器产生从所述准直反射器反射的、平行于所述光轴的准直辐射射线；和聚焦反射器，包括一回转抛物面的至少一部分，所述聚焦反射器具有一光轴和在所述光轴上的焦点，所述聚焦反射器关于所述准直反射器定位和定向，使得从所述准直反射器反射的准直辐射射线被所述聚焦反射器反射并聚焦到置于紧邻所述聚焦反射器的所述焦点位置处的目标上，其中所述准直反射器和所述聚焦反射器所具有的大小和形状基本相同，并且被定向为彼此之间光学对称，使得由所述准直反射器的表面部分反射的每个辐射射线都被所述聚焦反射器的对应表面部分反射到所述目标上，以便基本上实现在源和聚焦到目标上的图象之间的单位放大率。
18.根据权利要求17的光学装置，还包括一个或者多个附加反射器，其被构造和安排为将由源发射的未直接照射在所述准直反射器上的电磁辐射部分的至少一部分反射穿过所述准直反射器的焦点到达所述准直反射器，以增加该准直射线的光通量强度。
19.根据权利要求18的光学装置，其中所述附加反射器包括置于所述源的与所述准直反射器相反的一侧的球形回射器，以将从所述源发射的沿离开所述准直反射器方向的电磁辐射反射穿过所述准直反射器的焦点到达所述准直反射器。
20.根据权利要求18的光学装置，其中所述附加反射器包括次级准直反射器，其包括一回转抛物面的一部分，该回转抛物面所具有的光轴基本上与所述准直反射器的光轴重合，该回转抛物面所具有的焦点基本上与所述准直反射器的焦点重合，使得从所述源发射的沿离开所述准直反射器方向的电磁辐射产生从所述次级准直反射器反射的、平行于所述次级准直反射器光轴的准直电磁辐射射线；和一般平面反射器，其基本上垂直于所述次级准直反射器的光轴，并且被构造和安排为反射从所述次级准直反射器反射的准直电磁辐射射线，以产生从所述平面反射器反射的、平行于所述次级准直反射器的光轴的准直电磁辐射射线，该从所述平面反射器反射的准直射线之后被所述次级准直反射器反射穿过所述准直反射器的焦点到达所述准直反射器。
21.根据权利要求17的光学装置，其中所述准直和聚焦反射器的所述光轴基本上相互重合，并且其中所述准直和聚焦反射器相互之间以相对的、面对面的关系放置。
22.根据权利要求17的光学装置，其中所述准直和聚焦反射器的所述光轴彼此构成一个角度，并且所述光学装置还包括一重定向反射器，其被构造和安排为将从所述准直反射器反射的准直电磁辐射射线反射到所述聚焦反射器上。
23.根据权利要求17的光学装置，还包括置于所述准直反射器和所述聚焦反射器之间的滤光器，以滤出由所述准直反射器反射的准直辐射射线。
24.根据权利要求2的光学装置，其中所述准直反射器和所述聚焦反射器所具有的大小和形状基本相同，并且被定向为在光学上彼此基本对称。
全文摘要
一种收集和会聚光学系统包括准直反射器(30)和聚焦反射器(40)。该准直反射器(30)包括具有焦点(36)和光轴(38)的回转抛物面的一部分。聚焦反射器(40)包括具有焦点(46)和光轴(48)的回转抛物面的一部分。位于准直反射器(30)的焦点(36)处的电磁辐射源(20)产生准直辐射光束。聚焦反射器(40)被放置为使其接收该准直光束并将其聚焦到位于该聚焦反射器(40)的焦点(46)处的目标上。
文档编号G02B6/00GK1359459SQ00809723
公开日2002年7月17日 申请日期2000年6月28日 优先权日1999年7月1日
发明者肯尼斯·K·利 申请人:考金特光学技术公司