改善从小弧光灯到更大目标的光的耦合制造技术

一个光导（８）用于将来自一个具有大数值孔径的成像源（１）的光耦合到一个具有相当小的数值孔径的光纤元件（７）。当锥形包覆杆、光纤的锥形熔接束、锥形空心反射管、ＣＰＣ或凹透镜用作光导时，可以有效将光耦合进入一个光纤元件而不损失光通量密度。这样的系统特别有利于与一个成像源一起使用，该成像源产生一个具有高数值孔径的很小图像光点尺寸，比如：一个像球面离轴反射器的、产生１∶１图像的源。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利技术的领域本专利技术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。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。另一方面，将来自弧光灯的光通量的最大量再引到目标点上要求采用一个具有尽可能大的数值孔径的主反射镜。通常，来自该反射镜/透镜的高数值孔径光在目标点将比光纤或光纤束的更大。由于上述传输限制，因此，这意味着到达目标的光的大部分将不会通过输出纤维传输，并将损失掉。本专利技术改进了将光耦合进入大直径目标的现有技术。它提供一种将高数值孔径的光耦合进入一个中等光变换器件的机构，这样用任何会聚和收集系统所收集的灯光被变换成为一个具有更小的数值孔径和更大光点尺寸的输出，以有效地耦合到与直径和数值孔径匹配的大直径单纤维或纤维束的输入端。最终结果相对于现有技术来说，耦合光进入相同目标的系统是更高的效率和输出。锥形杆和锥体通常结合在一起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，并变换收集到的光进入一个更小的光点尺寸和一个更大的数值孔径。通常，这些构造是非常低效的，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。带反射内表面的锥形空心管通常还用来将来自光源的光“汇集(funnel)”成小光点尺寸。这样的空心锥形管像一个漏斗那样工作，它们在两端各有一个孔径，一个孔径比另一个大。该管在较大孔径处吸收光，并在锥形表面内通过反射平稳地将它会聚成一个小的光点尺寸，并且当它在更小孔径处离开时，形成更大的发散。这些类型的光学装置通常与LCD投影仪，DMD投影仪，和类似物结合起来使用。对本专利技术具有特殊适应性的另一种光导是一种锥形空心管的特殊形式，也就是公知的复合抛物面集中器，或“CPC”。CPC就像锥形空心管，但是它们的内反射面是抛物面或曲面。这样的抛物面表面已经被发现在将远处大光源发射的光集中成一个小光点尺寸方面是有效的。因此，CPC在收集太阳光线用于加热或发电方面找到了一般的用途。为了这些用途，CPC的输入端具有比输出端更大的横截面，并且从输出端发射的光具有大得多的数值孔径。固体玻璃CPC还能构造而产生类似的效果。或者，一个透镜能用作光导。如美国专利5,680,257所述，透镜通常是用于将光会聚成一个小目标光点。还有，这种用途必然导致光的NA增加，或发散。一个光导，为单锥包覆杆或锥体，锥熔接光纤束，反射锥空心管，复合抛物面集中器，凹透镜，或它们的组合的形式，安置在系统的象点，能使通过光纤目标的光的传输最大化。本专利技术利用现有技术的器件作光导，通过与它们的通常用途方式相反的方式而加以利用。上述器件被定位，由此从光收集系统引导的入射光，比如从上述现有技术系统的任何一个，光点尺寸增加并且角分布减小，以使最终收集的光量最大化，并能通过一个光纤器件被传输。图2是采用一个离轴椭球面凹反射器作为主收集器的本专利技术的一个实施例的示意图。图3是采用一个同轴扩展椭球面凹反射器作为主收集器的本专利技术的一个实施例的示意图。图4是表示一个凹透镜用作光导的本专利技术的一个实施例的示意图。图5是采用一个抛物面凹反射器和聚焦透镜的现有技术会聚器和收集器系统的示意图。图6是采用一个椭球面凹反射器的现有技术会聚器和收集器系统的示意图。图7是采用一个具有以离轴关系定位的光源和目标的超环面凹反射器的现有技术会聚器和收集器系统的示意图。专利技术的详细说明本专利技术的实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于增加光耦合进入光纤器件的系统，包括：一个提供光的电磁收集和会聚系统，具有一个灯，其弧光间隙尺寸为Ｓ和有效数值孔径为ＮＡ↓［０］；一个光纤光导元件，它是一个凹透镜，或是一个光导，其输入端接收来自所述收集和会聚系统的光，其输出端 输出来自光导的光，该光导的所述输入端具有输入数值孔径ＮＡ↓［１］和输入直径ｄ↓［１］，该光导的所述输出端具有输出数值孔径ＮＡ↓［２］和输出直径ｄ↓［２］，其中，所述ＮＡ↓［１］小于或等于所述ＮＡ↓［０］，所述ＮＡ↓［２］小于所述ＮＡ↓［１］，所述Ｓ小于所述ｄ↓［１］，所述ｄ↓［１］小于所述ｄ↓［２］；和一个光纤输出器件，接收来自光导的输出端的光，并输出光，所述输出器件具有直径ｄ↓［３］和数值孔径ＮＡ↓［３］，其中，所述ＮＡ↓［３］大于或等于所述ＮＡ↓［２］，和所述ｄ↓［３ ］大于或等于所述ｄ↓［２］。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：肯尼斯K利，道格拉斯M布伦纳，钦福郑，
申请(专利权)人：考金特光学技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]