[发明专利]改善从小弧光灯到更大目标的光的耦合

说明书

发明的领域

本发明涉及收集和会聚电磁辐射并耦合该辐射进入一个目标的系统的领域。

发明的背景

在光纤技术领域，长期以来的目标是开发一个系统，以更有效地收集和会聚来自非相干的光源(接近一个点光源)的电磁辐射。通常的系统企图引导来源于一个普通非相干光源的辐射进入一个小光点尺寸，而不会相应地减少辐射通量。

通常是，在开发这类系统中已经采取了两种措施。第一种包括在光源和目标之间采用会聚透镜。这类会聚透镜通常具有几个缺点：它们常常是相当昂贵，占用空间多，本身难于对中，并且它们产生色差和球差。另一种普通措施是采用椭球面反射镜。这些反射系统还是很昂贵，并且它们具有固有的缺点：它们使得图象自然放大，引起到达目标的通量密度减小。

最普通的现有技术系统包括一个与透镜一起使用的抛物面反射器，如图5所示。该抛物面反射器9形成灯1的外罩，其表面用铝或银涂敷。采用一个窗口，该气体被密封进入这个外罩。该灯的弧光置于抛物面的焦点，它产生平行射线组成的输出光束。铝或银的反射涂层反射从UV经可见光到红外线的辐射。结果是，对于类似医疗照明的应用，需要可见光过滤器来过滤掉不希望的UV和红外辐射。通常，采用一个传输过滤器，它不能使波长明显切断。因而，所获得的输出由UV和红外辐射组成，其量多于所希望的数量。当采用反射过滤器时，灯和聚焦透镜之间的距离必须增加，以适应该过滤器。这就减小了该系统的耦合效率。为将光耦合进入一个输出器件7，比如一个光纤束，一个聚焦透镜10通常用来使平行束再聚焦成一个小光点。来自透镜的输出数值孔径与纤维束的数值孔径匹配，以取得最大可能的耦合效率。由于抛物面和聚焦透镜组合的内在性质，弧光在纤维束上的放大在整个孔径上不是常数。结果是，输出光点的尺寸总是大于灯本身的弧光。这种机理导致在聚焦点的最大可能亮度或通量密度的减小。与聚焦透镜产生的像差一起，这类系统产生一种光点的尺寸明显大于弧光间隙(arc gap)的输出，和一种不均匀的分布。

图6表示另一种普通构造，用于将来自弧光灯的输出聚焦进入一个纤维束。在这种情况下，灯的弧光置于带电极的椭球形反射器3的一个焦点上，它沿该椭球的主轴设置。输出纤维7放置在目标6上，它定位于沿主轴的另一焦点。椭球表面的大小和两个焦点之间的距离确定了输出束的数值孔径。由于光从一个焦点到另一个焦点有不同路径，放大对于所有的光线不是常数。结果是，在另一个焦点的输出光点的尺寸通常是比弧光本身大几倍。这固有的放大又减小了弧光的亮度。

授予Cross等人的美国专利4,757,431公开了一种收集和会聚系统，它利用一种离轴球面凹反射系统，以增强在以前的椭球面反射系统中目标点的通量密度的量，该专利文献的说明书在此引用作参考。这种系统的布置如图7所示。由于这一系统允许在目标点因其固有的1∶1图象放大而引起的通量密度增加，因此具有以下缺点：其通量集中效率随目标6和弧光灯1之间的线性离轴距离而减小。任何企图通过使离轴位移最小化来限制这样的通量损失由于照明光源的物理尺寸和形状以及目标或光纤输出器件7而受到限制。授予Baker等人的美国专利5,430,634公开了在美国专利4,757,431中所述的离轴反射系统的一种变化形式，其中，一种凹超环面反射器用在凹球面反射器4的位置，该专利文献的说明书也在此结合作为参考。

锥形杆和锥体通常结合起来进入内窥镜的输入光柱，以使来自大直径光源的光的收集最大化，并将收集到的光变换为一个更小的光点尺寸和一个更大的数值孔径。通常，这些构造是非常的没有效率，因为对在空间和角度上达到最佳变换来说锥体的长度太短了。授予Hemlar等人的美国专利5,729,643公开了采用一种锥形光纤，其输入芯直径变尖到一个更小的输出直径，以便将光聚焦为一个更小的光点尺寸。

如授予Aanderson的美国专利5,680,257所揭示，采用透镜和锥形积分器的光束集成部件，以及用来将光会聚为一个小光点尺寸并且增加角度发散的反射器，在现有技术中都是公知的。然而，所有这些先前的系统，必须增加光的数值孔径。因此，这些系统当用到将光耦合进入一根光纤时是无效率的。在努力减少光点尺寸的过程中所获得的光数值孔径或发散的增加，引起收集的光的大部分超过位于象点的输出光纤的数值孔径。这样，在象点的相当比例的入射光不能通过该纤维传输。在现有技术中需要从光的收集和会聚系统改进光的耦合。

发明的概述