具有轴向设置的凹反射镜的聚光和集光光学系统的制作方法

专利名称：具有轴向设置的凹反射镜的聚光和集光光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及收集和会聚电磁辐射的系统，尤其是一个为一个小的目标--如光纤的一端提供高强度照明的系统。
背景技术：
常规的收集和会聚电磁辐射的设计着重于将来自一个单点源并各向同性地辐射的光尽可能多地收集和重新定向。这样做的话，这些设计将辐射通量集中到一个小斑尺寸内的能力受到损害。采用这些设计来生成一个小斑尺寸造成辐射通量下降，这是因为光束来自于常规的非相干光源时，常规设计的着重点(如，尽可能多地收集和重新定向光)与将光通量集中到一个尽可能小的斑尺寸内的目标相冲突。这样，小斑尺寸像的获得只能以相应的通量密度下降作为代价。
常用的光学收集和会聚系统具有二种基本设计。第一种如

图1所示，是一个聚光器透镜系统。聚光器透镜具有几个问题，包括色差和球差的产生，修正光学件的高成本，透镜对准的固有困难以及这样一个系统要求大量的空间。如图2所示，现有技术系统中还使用椭球面反射器。它们的问题包括高成本以及不可避免的像放大，这种放大降低了像的通量密度。如上所述，这些系统(图1和图2)都趋于着重尽可能多地收集和重新收集来自一个节点源的光。这样，它们无法同时优化斑尺寸和光密度。
对图1所示系统的一种改变已经在法国专利1383413号中进行了描述。在这个方案中，使用了一个具有一个曲率中心和一条光轴的球面凹面反射镜来收集和会聚来自一个灯丝光源的光并使其进入一个光导。光源被设置在反射镜的曲率中心上，而在与球面反射镜所处的一侧相对的一个点上光被聚焦进入光导。增强性能的获得是通过在与主反射器相对的一侧设置一个第二球面反射镜并将光反向聚焦通过光源到达主反射器来实现的。设置在第二反射镜器中心的一个洞可以允许设置一个沿光轴的光导来收集反射后的辐射。采用如图2所示的方案的一个椭圆面主反射镜也在法国专利1383413号中进行了描述，除此以外，还使用了一个第二球面反射器，该反射器具有一个与光源相一致的曲率中心并且该反射器被设置在椭圆反射器的主焦点和第二焦点之间的一个距离上来增加被收集的光进入光导的量。光导沿着光轴被设置在第二焦点上，在第二反射器设置有一个孔从而使光可以进入光导。
美国专利4757431号，在此引入其公开的内容作为参考，描述了一种改进的会聚和收集系统，该系统采用一个离轴球面反射器来增加在目标上的通量密度。如图3所示，该现有技术离轴系统具有一个横向偏离反射器光轴设置的光源以及一个设置在相应于光轴与其大致相对称的位置上的目标。然而，这样一种系统具有某些由于光源和目标的“离轴设置”而产生的缺点，包括与离轴设置的方向平行的象散的存在以及要求使该离轴距离最小化所固有的物理限制。象散的作用是降低系统的集中效率并由此减少在目标处被收集的通量。另外，由于造成象散畸变，要求光源与目标之间的离轴距离最小化，这一点给这样一个系统中的光源和目标的物理尺寸加上了限制。
因此，本发明的一个目的就是要提供一种同轴光学系统，该系统增强来自一个位置确定的电磁辐射源所发出的光的收集，然后由一个小的光学目标接受。
本发明的另一个目的是提供一种包括一个光源、一个主反射器和一个光学目标的同轴光学系统，其中光源和光学目标都和主反射器的光轴在同一条线上，但是在轴向是相互分开的。
本发明的再有一个目的是要提供一种同轴光学系统，该系统能消除象散象差以及离轴系统中所固有的物理限制。发明概述为了达到这些和其他的目的，本发明包括一个收集和会聚电磁辐射的系统，该系统具有一个设置在一个电磁辐射源一侧的主反射器和一个设置在源的另一侧的目标。主反射器包括一个凹反射表面部分，该部分优选地形成反射器的整个表面。
主反射器的凹表面部分--优选地基本上为一个超环面(toroidal)形状，定义了一根光轴以及一个沿光轴设置的主曲率中心。电磁辐射源被大致定位在光轴上，但在轴向朝超环表面部分的方向上偏离至曲率中心一个第一距离。而目标，如一根带芯光纤或一个光纤束，被大致定位在光轴上，但在轴向远离超环表面部分的方向上偏离一个第二距离，用来接受由超环表面部分反射的源的一个基本上集中后的像。
采用这种方案，第一和第二距离大致上由公式(1－Zs/Er)×(1－Zi/r)＝1构成相关关系，其中Zs为第一距离，Zi为第二距离，r为主反射器的球面反射表面部分的曲率半径。
在另一种实施方案中，一个第二反射器，优选地具有一个相对于光源凹的表面，被进一步加到光源的后面与主反射器相对的一侧来进一步增强光的收集。为了使被聚焦的光耦合进入光纤目标，采用的第二反射器有一个与主反射器光轴相一致的小中心孔。
根据另一种实施方案，系统可以进一步包括一个壳，该壳的侧壁的内表面形成主反射器和第二反射器。在这种情况下，主反射器和第二反射器可以整体结合在一起，形成一个沿壳的内表面设置的连续的反射器。再有，该壳还可以包括附加在壳的侧壁上的一个顶部和一个底部，从而形成一个可以被充入气体的密封壳。在该实施方案中，在壳的辐射收集端设置有一个窗口，用来使来自壳内部的辐射通过它到达光纤目标的辐射收集端，而光纤目标的设置可以靠近也可以远离该窗口。
附图简述图1为一个现有技术聚光器透镜系统的一个示意例图。
图2为一个现有技术椭圆反射器系统的示意例图，其中光源被设置在部分作为反射器轮廓的一个想象中的椭圆的第一焦点上，而目标设置在第二焦点上。
图3为采用一个球面反射器的一个现有技术离轴光学系统在Y-Z平面中的一个示意视图。
图4为本发明的一个实施方案在X-Z平面中的一个示意视图，其中所示的主反射器和第二反射器为分离的元件。
图5为本发明的一个实施方案在Y-Z平面中的一个示意视图，其中所示的主反射器和第二反射器为分离的元件。
图6为本发明的另一个实施方案在X-Z平面中的一个示意视图，其中所示所采用的主反射器和第二反射器在一个壳内被构置在一个单个的连续反射器，且在该壳的辐射收集端具有一个平面窗。
图7为本发明的另一个实施方案在X-Z平面内的一个示意视图，其中所示所采用的主反射器和第二反射器在一个壳内被设置成一个单个的连续反射器，且具有一个半球型的窗。
发明详述在下面的描述中，为了进行解释而非限制的目的，首先描述特殊的，如特别的数字、尺寸和光学元件等，从而提供一个对本发明的全面理解。然而，对于本发明领域的熟练人员而言，本发明在偏离这些特别详细描述的方案下以其他实施方案进行也是显而易见的。在其他场下，省略了对公知的设备和技术的详细描述，从而不会因为那些不必要的细节使和对本发明的描述变得模糊不清。
按照本发明，如图4-7所示，一种会聚和收集光学系统至少包括三个主要元件(1)光源。一个电磁辐射的光学点源。在本发明的说明书中，点光源S可以是任何小角度范围的电磁辐射小型光源S。典型地，这样一个光源的线角尺寸小于0.1弧度。例如，一个典型的光源S可以是一个弧间隙(arc gap)约为1mm的电弧灯，其设置在凹反射器前大约5mm处。然而，在本优选实施方案中，光源S为一个弧长为1mm的小型氙弧灯且包容在一个球型玻璃壳中。当然，其他壳，如陶瓷也可以被使用，只要辐射被从光源透射出来。例如，一个在柱体的两端各含有一个窗的柱状壳可以使辐射从光源S透射出来。一般而言，任何电磁辐射光源如相对于目标的尺寸来讲是小的均可使用，包括交流和直流电弧灯、气体放电灯、灯丝灯以及发光二极管。再有，由一个特定的光源S发出的辐射的种类包括脉冲辐射，连续波辐射，相干辐射、非相干辐射、宽带辐射及窄带辐射。
(2)主反射器，主反射器M1将来自光源S的电磁辐射聚焦到目标T上。如图4所示，主反射器M1包括一个相对于光源S凹的凹反射表面部分P。根据该优选实施方案，反射表面部分P优选地形成整个反射器M1的表面。参见图4，本发明的光学系统被安排在一个具有正交X、Y、Z轴的空间坐标系中，从而使凹反射部分P的曲率中心位于原点O上且其光轴与Z轴相一致。
尽管凹反射表面部分P可以采用多种几何方案，比如可以是球面、抛物面和椭球面等的一部分，本发明优选地采用一个基本上为超环面的反射表面部分P。如图4和图5所示，该超环反射表面部分P具有一个在X-Z平面中的主曲率半径r1(其中在图4中的X-Z平面中，超环反射器M1的曲率中心与原点O相一致)以及一个在Y-Z平面中的第二曲率半径r2(其中在图5中的X-Z平面中，超环反射器的曲率中心被设置在点C2上)。另外，超环反射器M1的光轴与Z轴是相一致的。主半径r 1的选择是为了将被收集的辐射的像点定位在与光源相对的一侧，而第二半径r2的选择是为了减少由光源的玻璃外壳g所产生的光学象差，该壳的作用象一个透镜。
r2与r1不相等的目的是为了使在Y-Z平面中的光线的象点与在X-Z平面中的光线相一致，从而降低由于一个特殊的光源壳g的透镜作用而产生的光线之间的偏移。对不产生任何光学象差的光源外壳，或者对没有外壳的光源，主半径r 1将和第二半径r相等，从而使主反射表面部分P成为球面。尽管实际上凹球面反射镜可以在所有场合使用，但是弯曲的外壳g包络许多光源，比如直流弧灯，造成要求进行光学补偿的椭圆象散。
理论上，一个精确的光学修正只能通过对所要求进行象差数值补偿的反射镜的表面修正进行建模来进行。生成的表面将会成为高度地非球面。对实际系统而言，在Y-Z平面中的象差大于在X-Z平面的象差并造成在二个平面中的每一个中的光线焦点相互之间有些偏离。一种近似的、但实际上有用的解决方法涉及采用一种超环表面，该表面具有一个在X-Z平面的r1，且与Y-Z平面中的r2不相等，这样可以进行一种部分的修正并减小光学象差和其他不足。通过调整超环反射器的第二半径r2，可以形成畸变较小的像，允许两个平面中的象点重迭且获得更高的辐射收集效率。与球面反射器相对比，最终结果是提高了系统的会聚性能从而将更多部分的光收集进入一个小的目标，比如一根光纤。
另外，为实用的目的，超环面或球面表面部分P要进行光学预处理，比如抛光和应用折射膜材料(如镀铝)，这种应用是在第一玻璃/气体表面界面上或者是第二外壳材料/玻璃表面界面上。
(3)目标目标T是一个小的物体，该物体需要用可能的最高电磁辐射密度来照射，在该优选实施方案中，目标T是一根单芯光纤f，其直径大约为0.1mm。然而，该目标T还包括从一个组中选择出来的目标T，该组由一根或多根具有一个辐射收集端C，且收集端被抛光成的角度与光纤f收集端C的纵轴垂直的光纤；以及一根或多根具有一个辐射收集端C，且收集端被抛光成的角度不与光纤f收集端C的纵轴垂直的光纤组成。
参见图3所示的现有技术，根据上面提及的美国专利4757431号中的教导，所示的一个常规光学系统采用一种“离轴”球面反射器。一个球面反射镜M具有一个光轴，该轴定义了一个原点设置在反射镜M的曲率中心上的坐标系的Z轴。一个光源S定位在Y轴上，离开原点的距离为Y0。从光源S发出的光线由反射镜M反射后会聚到光轴Z下方且离其Y0距离的一个点附近，从而形成光源S的一个实像I。
然而，离轴光学系统具有固有的缺点，包括平行于离轴位移方向的像散的存在以及要求离轴距离Y0为最小化的固有物理限制。像散的作用是产生一个点像，该像即不是被合适地聚焦了，也不是以单位放大率被成像在目标上。再有，所产生的像散减小了系统的集中效率并由此减小了在目标上被收集的通量。另外，为了使像散畸变最小化，需要减小光源S和目标之间的离轴距离Y0。这一点给能够在这样一种系统中应用的光源S和目标T的物理尺寸加上了限制。
相比之下，本发明的同轴系统不会受到上述问题的困扰，这是因为这样一个事实，即在常规的离轴系统中由离轴距离Y0所造成的像散被消除了。因此，原则上本发明可以获得一个实际上会聚后的像点I，该像点在目标T处具有单位放大倍数。另外，本发明的系统的物理尺寸仅受到光源尺寸的限制，而光源本身的尺寸仅受到主反射器M1的曲率的限制。
参考本发明，如图4-7所示，一个坐标系被定义成使其原点O定位在主凹反射器M1的曲率中心上，而Z轴与反射器M1的光轴是一致的。然而，在本发明的优选实施方案中，反射器M1的形状实质上是一个主曲率半径为r1的超环面，该面所具有的、就X-Z平面中的光线而言的主曲率中心与坐标系的原点是一致的。第二曲率半径r2定义一个相对于Y-Z平面中的光线而言的第二曲率中心，该中心定位在c2点。特别参考图4，光源S定位在反射器M1的光轴Z上，且离开主曲率中心O一个第一距离Zs。这样，点S的位置被定义成坐标(0，0，Zs)，其中Zs＞0。相类似，光源S的一个像I被生成在主反射器M1的光轴Z上，且离开主曲率中心O一个第二距离Zi。因此，点I的位置就被定义成坐标(0，0，Zi)，其中Zi＞0。值Zs和Zi的关系大致上可由下式来表示(1－Zs/r1)*1－Zi/r1)＝1
如上面所提及，本发明的优选施方案方案采用一种电弧灯作为光源S。这枯一种灯通常具有一个柱型的玻璃壳，在图3、4、5和6中被标为g。参见图4，优选地选择第一距离Zs，从而使像点I正好落在与主反射器M1相对的一侧的玻璃壳g的外面。就这样一个方案而言，在像点I处的光源斑尺寸的放大倍数由下式给出m＝(1－Zi/r1)/(1－Zs/r1)可以发现，当Zs＞0且Zi＜0时，m＞1。从像点I处看到的主反射器M1的数值孔径(NA)等于从光源5处看到的数值孔径除以放大倍数m。而要达到单位放大率是不可能的，该系统在尽可能使Zi和Zs最小的范围内使放大倍数达到最小。
在将本发明付诸实施中，可以发现，光学象差是由光源壳本身产生的，典型地一个球形玻璃壳本身就象一个透镜。光学象差的大小程度取决于玻璃壳g的形状和均匀性。完全的补偿只能采用数值方式对反射器M1的轮廓进行调整来进行，这会使其成为高度的非球面。然而，通过选择一个超环凹反射器作为主反射表面可以部分实现对光学象差的补偿，该表面具有一个第二半径r2从而补偿灯壳的透镜作用。在这方面，一个超环主反射器M1比一个球面反射器更可取，因为后者不能提供任何对光学象差的补偿。
本发明与现有技术的法国专利1383413号的不同之处在于光源S的位置与所采用的球面反射器的曲率中心不一致。然而，在优选实施方案中，一个超环面主反射器M1部分地补偿了由一个灯壳g或罩所产生的光学象差。如果没有壳或者光源和反射器被包络在同一个壳中，另一种可选择的实施方案由一个球面反射器组成，因为对这种实施方案而言，超环反射器的主半径和第二半径r1、r2是相等的。
本发明中的主要收集效率损失来源于光源S本身所产生的阴影效应，不管来源是一个灯丝，一对电极，还是发出电磁辐射的其他方法。尽管本发明与现有技术相比产生更高质量的成像，但将辐射传播到目标上的效率都较低。然而，收集效率的增强可以通过在光源S后面且与主反射器M1相对的一侧加上一个第二反射器M2来实现。第二反射器M2的曲率中心与点S相一致另外，第二反射器M2应设置有一个主反射器和光轴一致的小中心孔，该孔可以使一个目标，比如一根光纤f的收集端C从中通过，从而使光纤f的收集端C可以定位在点I上。优选地，第二反射器M2具有一个相对于光源S是凹的、实际上为球面的反射表面。此外，第二反射器M2的反射表面还可以形成一个形状的一部分，包括一种超环面形状或一种非球面超环面形状。另外，第二反射器M2的反射表面能够进行光学预处理从而控制辐射通量。
根据本发明的另一方案，如图6和7所示，该系统进一步包括一个具有外壁7的壳5，外壁7具有一个构成主反射器M1和第二反射器M2的内表面8。在这种情况下，主反射器M1和第二反射器M2(比如，它们的反射表面)可以整体结合在一起形成一个沿壳5的内表面8设置的、连续的反射器9。壳优选地用陶瓷来制造，尽管许多各种材料，包括玻璃，硼硅玻璃(pyrex)，石英等也可以使用。再有，壳5还包括附加在壳5的外壁7上的一个顶部和一个底部从而形成一个能够被充入气体的密封壳。在这种方式中，壳5可以由一种离子化(ionizing)气体进行加压且被装配有所选的弧灯S的电极，从而使亮度最大而使所产生的弧的角范围最小。
另外，在壳5的辐射收集端E可以设置一个窗W，用来使来自壳5内部的辐射通过并到达一根光纤的辐射收集端C。因此，光纤f的辐射收集端C可以被设置成靠近窗W或者远离窗W。窗W本身可以包括一个平面表面P，该表面是由一种基本上透明的非成像光学元件或者一种基本上透明的成像光学元件形成的(见图6)，或者其他一种情况，一个平面表面P具有一个透明的非成像半球形窗J，该窗的中心定位在形成在平面表面P中的像点I附近。同样，为了控制辐射通量，窗W可以进行光学预处理。
可以理解的是，在不偏离本公开的精神或基本特征的前提下，上述发明可以在其他特定的方案和外壳中得以实施。这样，可以认为，本发明不受前面所描述的细节的限制，而是由所附的权利要求来限定的。
权利要求
1.一种会聚和收集电磁辐射的系统，包括一个具有一个凹反射表面部分的主反射器，该凹表面部分具有一根光轴和沿光轴设置的一个主曲率中心；一个电磁辐射源，被大致定位在光轴上，但在轴向朝凹表面部分的方向偏离凹表面部分的主曲率中心一个第一距离；及一个目标，被大致定位在光轴上，但在轴向远离凹表面部分的方向上偏离凹表面部分的主曲率中心一个第二距离，用来接受由凹表面部分反射的源的一个基本上会聚后的像。
2.如权利要求1的系统，其中，第一和第二距离的关系可以大致由下式表示(1－Zs/r1)×(1－Zi/r1)＝1其中，Zs是第一距离，Zi是第二距离，r1是主反射器的凹反射表面部分的主曲率半径。
3.如权利要求1的系统，其中，凹表面部分包括一个大致的抛物形、一个大致的椭圆形、一个大致的超环面形和一个大致的非球面形中的一个。
4.发权利要求1的系统，其中的凹表面部分包括一个大致为超环面的形状，从而形成一个在第一平面中具有主曲率中心和一个相应的主曲率半径以及在与第一平面垂直的第二平面中具有一个第二曲率中心和相应的第二曲率半径的超环面表面部分，主曲率半径的长度与第二曲率半径的长度不同，从而减小由于一个特殊的、包围光源的壳所造成的光学像差，这是通过使在第一平面中光线产生的第一像点与在第二平面中光线产生的第二像点相一致来进行的。
5.如权利要求1的系统，其中凹表面部分形成整个主反射器表面。
6.如权利要求1的系统，其中电磁辐射源包括从一组光源中选择出来的一个光源，该组光源由一个交流电弧灯、一个直流电弧灯、一个气体放电灯、一个灯丝灯、一个发光二极管和一个半导体组成。
7.如权利要求1的系统，其中光源所发出的辐射包括从一组辐射中选择出来的辐射，该组辐射由脉冲辐射、连续波辐射、相干辐射、非相干辐射、单色辐射、宽带辐射、窄带辐射以及脉冲辐射、连续波辐射、相干辐射、非相干辐射、单色辐射、宽带辐射和窄带辐射的任何组合来组成。
8.如权利要求1的系统，其中目标包括从一个目标组中选择出来的一个目标，该目标组由至少一根具有一个近端面、且该端被切割的角度与光纤近端的纵轴垂直的光纤以及至少一根具有一个近端面、且该端被切割的角度与光纤近端的纵轴不垂直的光纤组成。
9.如权利要求1的系统，其中光源包括一个具有一个壳的灯，且一个修正光学件被设置在一个位置上，该位置可以从一个位置组中选择出来，该位置组由介于主反射器的凹表面部分与光源之间的一个第一位置以及介于光源和目标之间的一个第二位置组成，从而补偿在基本上聚焦后的像中由灯的壳所造成的光学像差。
10.如权利要求1的系统，其中该系统进一步包括一个第二反射器，相对光源而言，该反射器基本上设置在与主反射器的凹反射部分相对的的地方，用来反射从光源发出的光，使其通过光源且到达主反射器的凹反射表面部分。
11.如权利要求10的系统，其中第二反射器具有一个相对于光源凹的反射表面，该表面包括从一个组中选择出来的一个形状的一部分，该组由一个大致为超环面的形状，一个大致为球面的形状和一个大致为非球面的形状组成。
12.如权利要求11的系统，其中主反射器的反射表面被至少进行一种光学预处理，以控制辐射通量。
13.如权利要求10的系统，其中的目标包括具有一根收集端的光纤，用来接收从主反射器的凹表面部分反射的辐射，而第二反射器具有一个带一个孔的表面，该孔形成在与光轴相一致的表面中，用来使光纤的收集端通过。
14.如权利要求10的系统，其中该系统进一步包括一个具有侧壁的壳，其内表面形成主反射器和第二反射器。
15.如权利要求14的系统，其中该壳进一步包括附加在壳的侧壁上的一个顶部和一个底部，从而形成一个能够被充入加压气体的密封壳。
16.如权利要求14的系统，其中主反射器和第二反射器被整体结合在一起，形成一个沿壳的内表面设置的连续的反射器。
17.如权利要求14的系统，其中壳进一步包括一个设置在壳的一个辐射收集端的窗，用来使来自壳内部的辐射通过并到达一根光纤的近端，该光纤是从一个组中选择出来的，该组由具有一个靠近窗设置的辐射收集端的一根第一光纤和具有一个远离窗设置的辐射收集端的一根第二光纤组成。
18.如权利要求17的系统，其中窗包括由从一个组中选择出来的材料所制成的一个平面表面，该组由一种基本上透明的非成像光学元件和一种基本上透明的成像光学元件组成。
19.如权利要求17的系统，其中窗包括一个平面表面，该辐射表面具有一个形成在平面表面内的透明、非成像半球形窗，该半球形窗的中心定位在由主反射器的球面表面部分反射的、基本上已聚焦后的像的附近。
20.如权利要求17的系统，其中的窗至少进行一次光学预处理从而控制辐射通量。
全文摘要
本发明涉及一种会聚和收集电磁辐射的系统，该系统具有一个设置在一个电磁辐射源(S)一侧的主反射器(P，M1)和一个设置在源(S)的另一侧的目标(T)。主反射器(P，M1)包括一个凹的反射表面部分，该部分优选地形成整个反射器的表面。主反射器(P，M1)的凹表面部分，优选地基本上具有超环面形状，定义了一根光轴和沿光轴(Z)设置的主曲率中心。电磁辐射源(S)大致定位在光轴(Z)上，但是在轴向朝凹表面部分的方向偏离曲率中心一个第一距离。而目标，如一根单芯光纤(f)或者一个光纤束，被大致定位在光轴(Z)上，但是在轴向偏离曲率中心一个第二距离。
文档编号G02B17/06GK1139985SQ95191452
公开日1997年1月8日 申请日期1995年2月1日 优先权日1994年2月1日
发明者格伦·S·贝克, 道格拉斯·M·布伦纳, 罗伯特·L·皮乔尼 申请人:考金特光学技术公司