有透镜的锥形光波导管制造技术

一种光学耦合元件，用于较大数值孔径的集中和聚集系统。该光学耦合元件包括在锥形光导管（ＴＬＰ）输出端处的弯曲表面例如透镜。与弯曲表面组合的该ＴＬＰ改变离开弯曲表面的光的发散角和面积。通过将电磁辐射源基本布置在第一反射器的第一焦点上，从而使该源产生能够由第一反射器反射并基本聚集在第二反射器的第二焦点上的辐射射线，由电磁辐射源发出的电磁辐射可以集中和聚焦在目标上。光学耦合元件布置成使它的输入端基本靠近第二反射器的第二焦点。由第二反射器反射会聚的辐射射线通过输入端，朝着弯曲表面传送，其中，辐射射线的发散角和面积可以调节。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及波导管，该波导管集中和聚集光源发出的光，并在亮度损失最小的情况下使光在从输入端到输出端时转变它们的面积和发散角。相关技术的说明将电磁辐射集中、聚集和耦合到目标上的系统例如标准波导管或者将电磁辐射输出到投影机的输入中的系统的目的是使得在目标处的电磁辐射的亮度最大，该标准波导管例如单根光纤或光纤束。有多种普通系统用于集中和聚集由用于照射和投影用途的灯发出的光。美国专利申请No.09/604921公开的一种光学集中和聚集系统提供了一种双抛物面反射器系统，该专利申请的说明书被本文参引。如附图说明图1(a)所示，该光学集中和聚集系统采用两个大致对称的抛物面反射器10、11，这两个抛物面反射器10、11布置成使第一反射器10反射的光由第二反射器11的相应部分接收。尤其是，由光源12例如弧光灯发出的光由第一抛物面反射器10集中，并校准为沿着朝第二反射器11的光学轴线。该第二反射器11接收校准的光束，并使该光聚焦在位于焦点处的目标13上。图1(a)的光系统可以与第一抛物面反射器10结合使用反向反射器14，以便捕获由光源12发射的、沿远离第一抛物面反射器10的方向的辐射，并将该捕获的辐射往回反射成通过该光源12。尤其是，反向反射器14为基本球形形状，并有对着该第一抛物面反射器10的、位于基本靠近光源12的焦点(即在第一抛物面反射器的焦点处)，从而增加由该第一抛物面反射器校准的射线的强度。在图1(a)中，表示了当沿垂直于灯轴线的方向看时从光源12发出的三束不同射线(a、b和c)的光路。由灯发出的光对着(subtend)环绕垂直于灯的轴线的大约90°角度，如图1(a)中的射线a和c所示。另一方面，当从平行于灯轴线的方向看时，由灯发出的光对着大约180°的锥角，如图1(b)中的射线a’和c’所示。上述轴向、双抛物面光学系统的一个缺点是，在目标处，在射线a和c以及a’和c’之间产生较大角度。因此，射线以相对于目标表面的较大入射角到达目标13。这样，目标13的输入的数值孔径(NA)可以非常大，有时可高到1.0，而光在它上面聚焦的面积很小。较大数值孔径与较小面积的组合可能不适于能够与系统的光耦合的光学部件。当希望有不同的数值孔径时，例如希望数值孔径较小时，某些以最小亮度损失来转变光的面积和发散角的装置可以包含在该装置中。转变光的面积和发散角的代表性装置是透镜和锥形光波导管，该锥形光波导管也称为锥形光导管(TLP)。尽管透镜提供了转变光的输入面积和发散角的高效装置，但是它们在操作时需要一定大小的空间。还有，它们并不能很好地适应较大数值孔径。因此，通常用锥形光导管来代替透镜。不过，锥形光导管必须相对较长，以便高效转变光。在美国专利申请No.09/669841中，介绍了用于向较小光源目标提供1∶1放大率的双椭球形反射器系统。该高效集中和聚集系统如图2所示，采用两个大致对称的椭球形反射器20、21，这两个反射器20、21布置成使第一反射器20反射的光由第二反射器21的相应部分接收。尤其是，光源22发出的光由第一椭球形反射器20集中，并朝着第二反射器21而聚焦在光学轴线25上。该第二反射器21接收聚焦的光束，并使该光重新聚焦在位于焦点处的目标23上。如图2所示，双椭球形系统有着与双抛物面系统相同的缺点，即在目标处，在射线a和射线c之间产生较大角度。因此，射线a和射线c也以相对于目标表面的较大入射角到达目标，从而需要进一步转变光的输入面积和发散角。双椭球形系统的另一实施例如图3所示。该双椭球形系统有与上述双抛物面和双椭球形系统相同的缺点，即在目标处，在射线a和射线c之间产生较大角度。因此，射线a和射线c也以相对于目标表面的较大入射角到达目标，从而需要进一步转变光的输入面积和发散角。实际上，根据亮度原理，具有这样较大NA的光可以转变成使NA较小而使面积较大。该转变例如可以通过锥形光导管来进行。图4(a)中表示的标准长锥形光导管40a有用于上述系统的扁平输入表面41a。图4(b)中表示的标准短锥形光导管40b有用于上述系统的扁平输入表面41b。该长锥形光导管和短锥形光导管都可以用于将输入口41处的、具有较小面积d1和较大数值孔径NA1的光转变成在输出口42处的、具有较大面积d2和较小数值孔径NA2的光。当光43以较大入射角44照射在锥形光导管40上时，如图4所示，光导管40的锥度将该较大输入角40转变成较小输出角45。角度转变的度数及取决于锥度大小。对于理想的锥形光导管，亮度保持不变。因此，对于理想的锥形光导管，光在输入口41处的数值孔径NA1和面积d1的乘积等于光在输出口42处的数值孔径NA2和面积d2的乘积。可以知道d1*NA1＝d2*NA2 (1)在实际应用中，执行优化要求可能使得优化的尺寸偏离理想情况。对于特定系统，通过使锥形光导管与输出装置匹配而设计输出角45。在锥形光导管的设计中，通常知道三个变量，并能够计算第四变量在一个实施例中，长度为75.00mm的锥形光导管设计成使d1＝3.02mm，NA1＝0.7，且d2＝9.0mm。因此，输出的数值孔径，NA2预计为0.23。不过，在制造锥形光导管时，在输出口处的实际数值孔径为0.26，大于预计值0.23。这样的较大数值孔径将导致随后光学元件中的耦合效率损失。但是当输入面积减小以减小输出口处的数值孔径时，首先更少的光将耦合到锥形光导管内，从而减小了系统的总体集中效率。在输出口处的数值孔径大于预计值的原因是由于公式(1)假设理想锥形光导管为无限长。对于无限长的锥形光导管，锥度角将为零。不过，实际上锥度角必须为大于零的一定数值，因为锥形光导管的长度有限，因此，实际数值孔径与通过公式的预计值不同。当锥形光导管更长时，实际的数值孔径将接近预计的数值孔径。不过，较长的锥形光导管可能需要更大空间。而且，当通过将针孔布置成抵靠输出表面来测量例如图4中所示的锥形光导管的输出数值孔径时，将观察到角度转变，这显示输出光可能并没有焦阑(telecentric)。在图5中表示了典型弧光灯的辐射包络。辐射将由弧光灯以在平行于灯的轴线(图5中的z轴线)的平面内对着+-90°的角度的图形内发出，并360°环绕该灯的轴线。当该包络沿z轴线投射到平表面上时，它将显示为圆形。由该灯发出通过反向反射器聚焦在双抛物面或双椭球形反射器结构的目标上的光例如可以有椭圆形的数值孔径(NA)，该数值孔径(NA)从沿z方向的1.0到例如沿x方向的0.7变化。不过，图1(a)中所示的系统(例如双抛物面系统)的数值孔径(NA)可以为矩形，如图6所示，而不是圆形或椭圆形。因此，沿输入表面的横截面的对角线方向的NA可能大于x方向的NA或z方向的NA。当光通过例如TLP进行转变时，在输出口可以获得类似的矩形或方形角度分布，如图7所示，该图表示了方形的实例。不过，因为系统的辐射输入为圆形或椭圆形分布，因此，圆形NA或椭圆形NA可能更适于普通光学系统，该圆形NA如图8中所示。图9表示了用于目标的输入孔的不同结构。输入孔的长宽比通常大于1。因此，输入孔的长宽比可以形成为与从侧面看时弧光灯的发射区域的长宽比相同。在目标处的输入孔与弧的匹配，不过，并不需要使它与最终输出装置例如光纤或投影机匹配。因此，希望转变装置将输入光的长宽比本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集中和聚集系统，包括：　　　　光学耦合元件，所述光学耦合元件还包括：　　　　ＴＬＰ，该ＴＬＰ由所述源发射的电磁辐射的至少一部分进行照射，所述ＴＬＰ有输入端和输出端；　　　　弯曲表面，该弯曲表面牢固布置在所述输出端上；　　　　反射器，该反射器有第一和第二焦点；　　　　电磁辐射源，该电磁辐射源布置成靠近所述反射器的所述第一焦点，以便发出可以由所述反射器反射并基本聚集在所述第二焦点的辐射射线；以及　　　　其中，所述ＴＬＰ的所述输入端位于基本靠近所述反射器的所述第二焦点。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：肯尼思K利，
申请(专利权)人：微阳有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]