光学装置
【課題】ターゲットでの合焦された像と源の像との間で単位拡大またはほぼ単位拡大を達成し、それにより、ターゲットで最大の合焦強度を発生する。
【解決手段】コリメーティングリフレクタ３０および合焦リフレクタ４０は、以下からなるグループから選択されたコリメーティング／合焦リフレクタ対を含む：１対のリフレクタの各リフレクタは、源２０とターゲット６０上に合焦された像とを同じサイズとする単位拡大を達成するように、互いに対して対応のサイズおよび光学的配向を有し、コリメーティングリフレクタ３０および合焦リフレクタ４０の楕円面／双曲面対を含む１対のリフレクタであって、源２０に対してターゲット６０上に合焦された像を約０．５から約５の倍率のサイズとするほぼ単位拡大を達成するように、互いに対して対応のサイズおよび光学的配向を有する。
【解決手段】コリメーティングリフレクタ３０および合焦リフレクタ４０は、以下からなるグループから選択されたコリメーティング／合焦リフレクタ対を含む：１対のリフレクタの各リフレクタは、源２０とターゲット６０上に合焦された像とを同じサイズとする単位拡大を達成するように、互いに対して対応のサイズおよび光学的配向を有し、コリメーティングリフレクタ３０および合焦リフレクタ４０の楕円面／双曲面対を含む１対のリフレクタであって、源２０に対してターゲット６０上に合焦された像を約０．５から約５の倍率のサイズとするほぼ単位拡大を達成するように、互いに対して対応のサイズおよび光学的配向を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０００年３月２９日に出願された米国仮出願番号第６０／１９２，８７９号と、２０００年１月２８日に出願された米国仮出願番号第６０／１７８，７００号と、１９９９年７月１日に出願された米国仮出願番号第６０／１４１，８３２号の利益を請求し、その内容はここに引用により援用される。
【０００２】
この発明は、電磁放射を集光するためのシステムに関し、特に、放射源から放出された放射を集め、集められた放射をターゲットに合焦するためのパラボラリフレクタを組込むシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
シングルファイバもしくはファイババンドルなどの標準の導波管への電磁放射、またはプロジェクタのホモジナイザへの出力を集め、集光し、結合するシステムの機能目的は、ターゲットでの電磁放射の輝度を最大化することである（すなわち、束強度を最大化することである）。先行技術は、球面リフレクタ、楕円リフレクタおよびパラボラリフレクタを伴なう、いわゆる軸上（オンアクシス）リフレクタシステムと、球面リフレクタ、トロイダルリフレクタおよび楕円リフレクタを伴なう軸外れ（オフアクシス）リフレクタシステムとの使用を教示する。ターゲットが、電磁源のアークギャップのサイズと同様である寸法を有する場合、軸外れリフレクタシステムは、ターゲットで、軸上システムよりも高い効率および輝度を達成し、それにより、光ファイバターゲットによって集めることのできる光の量を最大化する。電磁源のアークギャップよりもはるかに大きい寸法を有するターゲットについては、軸上および軸外れリフレクタシステムの両方が、放射源からの放射を導波管に集め集光し結合するために有効である。
【０００４】
軸上システムの欠点は、それらが本質的に、放射源からの放射を、放出された放射の方向に依存するより大きい像に向け直し、このため、放射源がインコヒーレントであるとき放射を可能な限り小さいスポットに集中させるという目的を阻止することである。たとえば、公知の軸上楕円システムは、電磁放射の放出角に依存して、２から８の範囲の倍率を発生する。さまざまに拡大された放射ビームは互いに重ね合わされ、それにより、集められた像のディストーションおよび拡大をもたらす。
【０００５】
さらに、楕円集光システムは、平行な（すなわち、コリメートされた）放射ビームを発生しない。コリメートされたビームは、必要とされるとき集められた放射のフィルタリングを促進することができるので、これは不利益である。
【０００６】
公知の軸上パラボラシステムでは、反射されたビームの発散も、放射源からの放出角に依存する。さらに、そのようなシステムは、完全な条件下では、歪曲された像を発生するが、実際には典型的には、像サイズを有効に増大させ輝度または束強度を低減する、不良な収差像を発生する１つ以上の合焦レンズの使用を必要とする。さらに、軸上システムの出力は、常に円形に対称であり、それゆえ、非円形のターゲットには好適でない可能性がある。
【０００７】
米国特許番号第４，７５７，４３１号は、小さいターゲットを照明する最大束強度および小さいターゲットによる集光可能な光束密度の量を増大させる軸外れ球面凹リフレクタを採用する、改良された集光システムを記載する。このシステムは、軸外れ凹面リフレクタが楕円である米国特許番号第５，４１４，６００号と、軸外れ凹面リフレクタが円環状である米国特許番号第５，４３０，６３４号とにおいてさらに改良された。′６３４特許に記載されたトロイダルシステムは、非点収差を補正し、′６００特許の楕円システムは、′４３１特許の球面リフレクタよりも正確な結合を可能とするが、これらのシステムの各々は、高湾曲反射面への光学コーティングの塗布を必要とする。そのような湾曲表面への光学コーティングの塗布は高価であり、一様なコーティング厚さを達成することが困難である。さらに、そのようなシステムでは、源の像は、源からターゲットへ比較的小さい空間に直接合焦され、それにより、空間の欠如のためにフィルタおよび減衰器などの他の光学要素の挿入を困難にしてしまう。
【０００８】
分光学の分野では、電磁放射を被試験試料の非常に小さいスポットに合焦し、その後試料によって反射される放射を集めることが必要である。軸外れパラボラリフレクタがこの目的のために使用されている。米国特許番号第３，９８６，７６７号は、軸外れ放物面を用いて、平行なビームが小さいスポットに被試験試料の上に直接合焦されるシステムを示す。米国特許番号第Ｒｅ３２，９１２号は、放物面を使用し、ある反射放物面を用いて光が被試験試料の上に合焦され、その同じ焦点からの光が第２の反射放物面を用いて集められることを示す。米国特許番号第４，４７３，２９５号は、放射を被試験試料に合焦しこれから集めるために反射放物面を用いるさらに別の構成を記載する。
【０００９】
米国特許番号第５，１９１，３９３号およびその対応欧州特許番号第０４０１ ３５１ Ｂ１は、小さい特徴部の光学的測定を行なうために、クリーンルームの外側の場所からクリーンルームの内側の場所に光が透過されるシステムを記載する。光を集め透過するための記載された構成の１つは、アークランプ、２つのパラボラリフレクタ、シングルファイバターゲット、および不必要な波長をフィルタリングするための透過性ダイクロイックフィルタを含む。第１のパラボラリフレクタは、フィルタリングリフレクタから源から反射される光を集め、コリメートされたビームを生成する。コリメートされたビームは、第２のパラボラリフレクタに衝突するより前に１つ以上のさらなるフィルタを通過してもよく、第２のパラボラリフレクタは、コリメートされたビームをシングルファイバターゲットに集め合焦する。しかしながら、これらの文献のいずれも、ターゲットでの最小のディストーションで最大の束強度を獲得するように、源と合焦された像との間の単位拡大を達成するためのシステムを記載していない。
【００１０】
したがって、ターゲットで合焦された放射ビームの束強度を最大化する、パラボラリフレクタを用いる電磁放射を集光する方法を提供することが必要とされている。
【００１１】
【特許文献１】米国特許番号第４，７５７，４３１号
【特許文献２】米国特許番号第５，４１４，６００号
【特許文献３】米国特許番号第５，４３０，６３４号
【特許文献４】米国特許番号第３，９８６，７６７号
【特許文献５】米国特許番号第Ｒｅ３２，９１２号
【特許文献６】米国特許番号第４，４７３，２９５号
【特許文献７】米国特許番号第５，１９１，３９３号
【特許文献８】欧州特許番号第０ ４０１ ３５１Ｂ１
【発明の開示】
【００１２】
本発明の局面に従えば、電磁放射を集光するための改良されたシステムは、パラボラリフレクタを採用し、ターゲットでの合焦された像と源の像との間で単位拡大またはほぼ単位拡大を達成し、それにより、ターゲットで最大の合焦強度を発生する。特に、本発明は、電磁放射源から電磁放射を集め、集められた放射を、源によって放出された電磁放射の少なくとも一部で照明されるべきターゲットに合焦するための光学装置に向けられる。装置は、コリメーティングリフレクタおよび合焦リフレクタを含む。コリメーティングリフレクタは、回転放物面の少なくとも一部を含み、光学軸および光学軸上の焦点を有する。コリメーティングリフレクタの焦点に近接して位置する源は、光学軸と平行な方向にコリメーティングリフレクタから反射された放射のコリメートされた光線を発生する。合焦リフレクタは、回転放物面の少なくとも一部を含み、光学軸および光学軸上の焦点を有する。合焦リフレクタは、コリメーティングリフレクタから反射された放射のコリメートされた光線が合焦リフレクタによって反射され、合焦リフレクタの焦点に近接して位置するターゲットに向けて合焦されるように、コリメーティングリフレクタに対して位置決めされ配向される。コリメーティングリフレクタおよび合焦リフレクタは、コリメーティングリフレクタの表面部によって反射された放射の各光線が、ターゲットに向けて合焦リフレクタの対応する表面部によって反射され、実質的に単位拡大を達成するように、わずかに異なった形状または実質的に同じサイズおよび形状を有し互いに対して光学的にほぼ対称に配向され得る。
【００１３】
コリメーティングリフレクタから離れる方向に源によって放出された放射を捕獲し、捕獲された放射を源を通って戻り（すなわち、コリメーティングリフレクタの焦点を通って）コリメーティングリフレクタの方へ反射し、それにより、そこから反射されたコリメートされた光線の強度を増大させるために、コリメーティングリフレクタと関連付けてリトロリフレクタが使用されてもよい。
【００１４】
コリメートおよび合焦リフレクタは、それぞれの光学軸が同一線上に配置された対向して面する関係で配置され得り、または、それらは、それらの光学軸が互いに対してある角度で配置されて配置され得り、この場合には、リダイレクティングリフレクタを採用して、合焦リフレクタの方へコリメーティングリフレクタによって反射されたコリメートされた光線を向け直す。
【００１５】
代替的に、コリメーティングリフレクタおよび合焦リフレクタは、コリメーティングリフレクタおよび合焦リフレクタの一方が実質的に楕円形状を有し、コリメーティングリフレクタおよび合焦リフレクタの他方が対応の実質的に双曲面形状を有する、楕円面／双曲面対を含み、楕円面／双曲面対の各リフレクタは、コリメーティングリフレクタの表面部によって反射された放射の各光線が、合焦リフレクタの対応する表面部によってターゲットの方へ反射され、好ましくは、源とターゲットに合焦された像との間にほぼ単位拡大を達成するように、互いに対して対応するサイズおよび光学的配向を有する。用途に依存して、１以外のより大きいまたはより小さい倍率が使用可能であり、結果として低減された輝度を生じる、すなわち約０．５から約５の倍率である。
【００１６】
フィルタまたは他の光学的要素が、コリメーティングリフレクタと合焦リフレクタとの間に配置可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施例は、さまざまな図面において同様の要素または特徴が同様の参照番号によって表わされる、添付の図面を参照して記載される。
【００１８】
図面を参照して、この発明の例示の実施例を記載する。これらの実施例は、この発明の原理を例示し、この発明の範囲を制限するものと解釈されるべきでない。
【００１９】
本発明の典型的実施例を示す図１を参照し、この発明はこれと関連付けられた以下の４つの主なコンポーネントを有する。
【００２０】
１． 電磁源
電磁源２０は、好ましくは、エンベロープ２２を有する光源である。最も好ましくは、電磁源２０は、キセノンランプ、ハロゲン化金属ランプ、ＨＩＤランプまたは水銀ランプなどのアークランプを含む。ある種の用途では、以下により詳細に記載するように、システムがランプの透明フィラメントに対応するよう変形されるならば、たとえばハロゲンランプなどのフィラメントランプが使用可能である。
【００２１】
２． コリメーティングリフレクタ
コリメーティングリフレクタ３０は、光学軸３８および焦点３６を有する回転放物面の一部を含む。図２に示す実施例では、コリメーティングリフレクタ３０は、回転放物面の第１の四分円３２および第２の四分円３４を含む。代替的に、コリメーティングリフレクタ３０は、回転放物面の単一四分円、より多くまたはより少なくを含んでもよい。コリメーティングリフレクタ３０は、好ましくは、反射コーティング（たとえばアルミニウムまたは銀）を有し、表面は高度に研磨される。ある種の用途では、コリメーティングリフレクタ３０は、波長選択的多層誘電体コーティングで被覆されるガラスからなり得る。たとえば、可視波長においてのみ高反射率のコールドコーティングが、可視光線の応用では使用可能である。コリメーティングリフレクタの焦点３６に配置された電磁源２０により、リフレクタ３０と接触する電磁放射は、リフレクタ３０の光学軸３８に平行してコリメートされたビームとして反射される。電磁源２０がアークランプである場合、アークギャップは好ましくは、コリメーティングリフレクタ３０の焦点距離と比べて小さい。
【００２２】
３． 合焦リフレクタ
合焦リフレクタ４０は、光学軸４８および焦点４６を有する回転放物面の一部を含む。図２に示すように、合焦リフレクタ４０は、回転放物面の第１の四分円４２および第２の四分円４４を含む。代替的に、合焦リフレクタ４０は、回転放物面の単一四分円、より多くまたはより少なくを含んでもよい。合焦リフレクタ４０は、コリメーティングリフレクタ３０と、わずかに異なった形状であってもよく、または、実質的に同じサイズで実質的に同じ形状であってもよい。たとえば、コリメーティングリフレクタ３０が回転放物面の単一四分円を含むならば、合焦リフレクタ４０は、実質的に、同じ回転放物面の単一四分円であるべきである。
【００２３】
合焦リフレクタ４０は、コリメーティングリフレクタ３０によって反射されたコリメートされた電磁放射が合焦リフレクタ４０の放物面に当り、その後合焦リフレクタ４０の焦点４６の方へ焦点合わせされるように、位置決めされ配向される。コリメーティングリフレクタ３０と合焦リフレクタ４０との間の単位拡大（すなわち、電磁源と実質的に同じサイズである合焦された像）を達成するために、コリメーティングリフレクタ３０の表面部によって反射されコリメートされた電磁放射の各光線が、最大可能輝度である焦点４６での焦点を達成するために、合焦リフレクタ４０の対応の表面部によって反射され合焦されることが重要である。この開示の文脈では、コリメーティングリフレクタ３０の表面部によってコリメートされた電磁放射の各光線が合焦リフレクタ４０の対応の表面部によって合焦されるように、コリメーティングリフレクタ３０および合焦リフレクタ４０を互いに対して配向し位置決めすることを、リフレクタを互いに対して「光学対称」に位置決めするという。
【００２４】
４． ターゲット
ターゲット６０は、可能な限り最高の強度での照明を必要とする小さい物体である。好ましい実施例では、ターゲット６０は、シングルコア光ファイバ、光ファイバの溶着されたバンドル、ファイババンドル、またはホモジナイザなどの導波管である。ターゲットの入力端、たとえば光ファイバの近端は、合焦リフレクタ４０の焦点に位置決めされ、合焦リフレクタ４０によって反射された電磁放射の合焦された光線をそこで受取る。
【００２５】
上述したように、ターゲット６０は導波管であり得、図８ａ〜図８ｆに示すように断面が多角形、または図９に示すように断面が円形であり得る。さらに、ターゲット６０は、図１０ａに示すように先太になる導波管、または図１０ｂに示すように先細になる導波管であり得る。
【００２６】
ターゲットおよび電磁源は、本発明の集光システムと密接に関連付けられるが、そのより広い局面に従って、この発明は、互いに対して光学対称であるように配置された実質的に同じサイズおよび形状の２つのパラボラリフレクタの使用に関する。
【００２７】
集光システムの記載を続けると、図１に示す配置では、コリメーティングリフレクタ３０および合焦リフレクタ４０は、互いの方に凹状であるように互いに対して対向して面する関係で位置決めされる。光学対称は、コリメーティングリフレクタ３０および合焦リフレクタ４０を、それぞれの光学軸３８および４８が同一線上になるように、かつ、コリメーティングリフレクタ３０の反射面が合焦リフレクタ４０の対応の反射面と対向して面する関係にあり単位拡大を達成するように配置することによって、図１の配置において達成される。
【００２８】
代替の実施例では、図１を参照して、コリメーティングリフレクタ３０および合焦リフレクタ４０は、楕円面／双曲面対であるコリメーティング／合焦リフレクタ対を含み、コリメーティングリフレクタ３０および合焦リフレクタ４０の１つが、それぞれ、実質的に楕円面の形状を有し、コリメーティングリフレクタ３０および合焦リフレクタ４０の他方が、それぞれ、対応の実質的に双曲面の形状を有し、楕円面／双曲面対の各リフレクタは、コリメーティングリフレクタ３０の表面部によって反射される放射の各光線が、ターゲットの方へ合焦リフレクタ４０の対応の表面部によって反射されて、好ましくは電磁源とターゲット上に合焦された像との間にほぼ単位拡大を達成するように、互いに対して対応のサイズおよび光学的配向を有する。用途に依存して、１以外のより大きいまたはより小さい倍率が低減された輝度で使用可能である、すなわち約０．５から約５の倍率である。
【００２９】
図２に示すように、コリメーティングリフレクタが回転放物面の第１の四分円３２および第２の四分円３４を含み、合焦リフレクタ４０が同様のサイズおよび形状の回転放物面の第１の四分円４２および第２の四分円４４を含む場合、２つのターゲット、すなわちファイバ６０ａおよび６０ｂを収容して２つの独立した出力を達成することが可能である。例示の実施例では、出力６０ａは、コリメーティングリフレクタ３０の第２の四分円３４および合焦リフレクタ４０の第２の四分円４４から電磁放射を受取る。出力６０ｂは、コリメーティングリフレクタ３０の第１の四分円３２および合焦リフレクタ４０の第１の四分円４２から電磁放射を受取る。２つのファイバ６０ａおよび６０の同時的な配置を可能とするために、合焦リフレクタ４０の第１の四分円４２および第２の四分円４４は、合焦リフレクタ４０の光学軸に沿って少量だけ互いから空間的にオフセットされなければならない。
【００３０】
図１および図２に示すように、本発明の集光システムは、例示の実施例では球面リトロリフレクタであるリトロリフレクタ５０の使用を組込み得る。リトロリフレクタ５０は、電磁源２０によって放出され他の態様ではコリメーティングリフレクタ３０に当らないであろう電磁放射を捕獲するように位置決めされる。より特定的には、球面リトロリフレクタ５０は、コリメーティングリフレクタ３０から離れる方向に電磁源２０によって放出される放射が、コリメーティングリフレクタ３０の焦点３６を通って戻りその後にコリメーティングリフレクタ３０に向かって反射されるように、構成および配置される。コリメーティングリフレクタ３０によって反射されたこのさらなる放射は、コリメートされ、電磁源２０から直接コリメーティングリフレクタ３０に当る放射に加えられ、それにより、合焦リフレクタ４０の方へ反射されるコリメートされた放射の強度を増大させる。したがって、合焦リフレクタ４０の焦点４６の放射の強度も増大される。
【００３１】
フィラメントランプが電磁源２０として採用されるならば、逆反射された放射は焦点３６に位置する不透明なフィラメントによって遮断されてしまうので、リトロリフレクタは、コリメーティングリフレクタ３０の焦点３６を通って戻る放射を合焦するように配向されることができない。この場合には、リトロリフレクタ５０の位置は、逆反射された放射が焦点３６を正確に通過しないように調節されるべきである。
【００３２】
球面リトロリフレクタの代替として、逆反射機能は、電磁源２０のアークサイズまたはそれより小さいオーダでサイズ決めされた単位要素を備える２次元コーナキューブアレイ（図示せず）によって行なうことができる。２次元コーナキューブアレイを採用することは、リトロリフレクタを正確に位置決めする必要をなくし、電磁源２０のアークでより密な焦点を発生する。
【００３３】
図１に示すように、コリメーティングリフレクタ３０および合焦リフレクタ４０を分離する空間的距離のために、フィルタ５６などのさまざまな光学要素が、リフレクタ３０と４０との間に挿入され得る。リフレクタ３０と４０との間で透過される電磁放射はコリメートされているので、そのような光学要素は、単純な形状および設計が可能である。図１に示すように、フィルタ５６は平面フィルタである。
【００３４】
図３は、本発明の集光システムの代替の配置を示す。図３の配置では、ターゲット６２はもはや、シングル光ファイバではなく、光ファイバのバンドル６２である（ただし、図示の配置は上述のターゲットのいずれとも使用可能である）。さらに、図３の配置では、光学軸４８′および焦点４６′を有する合焦リフレクタ４０′は、コリメーティングリフレクタ３０に対してオフセットされる。すなわち、合焦リフレクタ４０′の光学軸４８′は、図１および図２の実施例においてのように、コリメーティングリフレクタ３０の光学軸３８と同一線上にない。コリメーティングリフレクタ３０と合焦リフレクタ４０′との光学対称（すなわち単位拡大）は、コリメーティングリフレクタ３０と実質的に同じサイズおよび形状の合焦リフレクタ４０′を採用することにより、かつ、コリメーティングリフレクタ３０から反射されたコリメートされた電磁放射の経路にリダイレクティングリフレクタ６４を正確に位置決めすることにより、達成される。リダイレクティングリフレクタ６４は、反射された放射もコリメートされるように平坦なリフレクタ（フラットリフレクタ）である。リダイレクティングリフレクタ６４および合焦リフレクタ４０′は、向き直されコリメートされた放射が、コリメーティングリフレクタ３０および合焦リフレクタ４０′の両方の対応する表面部から反射されるように、正確に位置決めされる。
【００３５】
空間的または他の制限によって、コリメーティングリフレクタ３０および合焦リフレクタ４０′が、それぞれの光学軸３８，４８′が互いに同一線上になるように配置されることが可能でない状況において、図３に示す配置は使用可能である。光学対称が維持される限り、合焦リフレクタおよびコリメーティングリフレクタのさらなる空間的変動を可能とするために、１つ以上のさらなるリダイレクティングリフレクタが採用され得ることが理解される。
【００３６】
リダイレクティングリフレクタ６４は単純なリフレクタであってもよく、または、それは反射フィルタであってもよい。
【００３７】
本発明の集光システムの別の代替の配置が図４に示される。図４の配置では、球面リトロリフレクタ５０は、好ましくはコリメーティングリフレクタ３０の、それぞれ光学軸３８および焦点３６と一致する光学軸７８および焦点７６を有する回転放物面を含む２次コリメーティングリフレクタ７０と置換される。２次コリメーティングリフレクタ７０は、好ましくは、コリメーティングリフレクタ３０と同じサイズおよび形状である。すなわち、コリメーティングリフレクタ３０が回転放物面の単一四分円を含むならば、２次コリメーティングリフレクタ７０も、同様の回転放物面の単一四分円を含むであろう。
【００３８】
フラットリフレクタ７２は、２次コリメーティングリフレクタ７０の出力端において光学軸７８と実質的に垂直に位置決めされる。図面に示すように、コリメーティングリフレクタ３０から離れて電磁源２０によって放出される放射は、２次コリメーティングリフレクタ７０によって反射されコリメートされる。リフレクタ７０によって反射され、光学軸７８と平行であるコリメートされた放射は、フラットリフレクタ７２から２次コリメーティングリフレクタ７０に戻って反射し、その後、焦点７６および３６に戻って通りコリメーティングリフレクタ３０の方へ反射され、それにより、合焦リフレクタ４０の方へ反射されるコリメートされた放射の強度を増大させる。したがって、２次コリメーティングリフレクタ７０およびフラットリフレクタ７２はともにリトロリフレクタとして機能する。
【００３９】
コリメーティングリフレクタおよび２次コリメーティングリフレクタが各々回転放物面の２つの四分円を含んで、併せてそれらが完全な回転放物面を規定するならば、２次コリメーティングリフレクタ四分円の各々は、正反対に対向するコリメーティングリフレクタ四分円の方へ放射を逆反射する。
【００４０】
本発明の集光システムの別の代替の配置が図５ａおよび図５ｂに示される。図５ａの配置では、システムは、陽極８４と、陰極支持部材８６によって支持される陰極８２と、陽極と陰極との間で、図５ａの集光システムの源を構成するアーク８７とを有するサーマックスランプ（cermax lamp）８０を含む。サーマックスランプ８０は、窓８８によってその開いた端が覆われたパラボラミラー８１を含む。回転放物面の第１の四分円９２および第２の四分円９４を含むパラボラミラー８１の上半分は、システムのコリメーティングリフレクタ９０を構成する。回転放物面の第３の四分円１０２および第４の四分円１０４を含むパラボラリフレクタ８１の下半分は、２次コリメーティングリフレクタ１００の、それぞれ第１および第２の四分円を構成する。コリメーティングリフレクタ９０は、焦点９６および光学軸９８を有し、２次コリメーティングリフレクタ１００は、コリメーティングリフレクタ９０のそれぞれ焦点９６および光学軸９８と一致する焦点１０６および光学軸１０８を有する。フラットリフレクタ１１０が、２次コリメーティングリフレクタ１００の開いた端の正面に配設され、その光学軸１０８と垂直になるように配置される。
【００４１】
図４の配置とほとんど同じように、直接コリメーティングリフレクタ９０の方へアーク８７で放出された放射は、光学軸９８と平行であるコリメートされた光線で、合焦リフレクタ４０の方へ反射される。コリメーティングリフレクタ９０から離れてアーク８７によって放出された放射は、フラットリフレクタ１１０に向かって２次コリメーティングリフレクタ１００によって反射されコリメートされる。その後、放射は、フラットリフレクタ１１０によって２次コリメーティングリフレクタ１００へ戻り、焦点９６を通ってコリメーティングリフレクタ９０に反射される。したがって、２次コリメーティングリフレクタ１００およびフラットリフレクタ１１０はともにリトロリフレクタとして機能する。コリメーティングリフレクタ９０に直接放出された放射とともに、逆反射された放射は、コリメーティングリフレクタ９０の第１および第２の四分円９２および９４によってコリメートされ、窓８８を通ってサーマックスランプ８０から出ていく平行なビームとなる。ターゲットで合焦された像の単位拡大を達成するために、サーマックスランプのコリメーティングリフレクタ部９０と同じサイズおよび形状である、光学軸４８および焦点４６を有する合焦リフレクタ４０は、コリメーティングリフレクタ９０に対して光学対称に位置決めされる。コリメーティングリフレクタ９０によって反射されるコリメートされた放射は、合焦リフレクタ４０によってアーク８７のサイズと同様のサイズを有する合焦された像に合焦される。
【００４２】
図６および図７は、回転放物面全体の反射出力が、光学軸１２８および焦点１２６を有する回転放物面の単一四分円を含む合焦リフレクタ１２０に集光される、本発明の集光システムの別の代替の配置を示す。特に、パラボラリフレクタ１１０は、光学軸１１８および焦点１１６を有し、回転放物面の単一四分円を含むコリメーティングリフレクタ１１２を規定する。パラボラリフレクタ１１０はさらに、光学軸１３８および焦点１３６を有する第１の２次コリメーティングリフレクタ１３０と、光学軸１４８および焦点１４６を有する第２の２次コリメーティングリフレクタ１４０と、光学軸１５８および焦点１５６を有する第３の２次コリメーティングリフレクタとを規定する。焦点１１６、１３６、１４６および１５６は、好ましくは、光学軸１１８、１３８、１４８および１５８と同様に、互いと一致する。
【００４３】
リダイレクティングリフレクタ１６８は、リフレクタ１１２のコリメートされた反射出力を、コリメーティングリフレクタ１１２に対して光学的に対称になるように位置決めされ配置された合焦リフレクタ１２０の方へ向け直すように、コリメーティングリフレクタ１１２に対して作動的に位置決めされる。リフレクタ１６８は単純なリフレクタであってもよく、または反射フィルタであってもよい。
【００４４】
第１のフラットリフレクタ１６０は、第１の２次コリメーティングリフレクタ１３０の正面に作動的に位置決めされ、光学軸１３８に垂直になるように配置される。リフレクタ１６０は、リフレクタ１３０へ、第１の２次コリメーティングリフレクタ１３０のコリメートされた出力を反射し返し、リトロリフレクタとして機能する。その後、逆反射された放射は、焦点１３６に戻り、第２の２次コリメーティングリフレクタ１４０の方へ反射される。
【００４５】
第２のフラットリフレクタ１６２および第３のフラットリフレクタ１６４は、互いに直角に配置され、それぞれ、第２の２次コリメーティングリフレクタ１４０および第３の２次コリメーティングリフレクタ１５０の正面に作動的に位置決めされる。第２および第３のフラットリフレクタ１６２および１６４を交差する直角によって形成される頂点１６６は、光学軸１１８、１３８、１４８および１５８に対して直角に配置される。第２の２次コリメーティングリフレクタ１４０のコリメートされた出力は、第２のフラットリフレクタ１６２から第３のフラットリフレクタ１６４へ、その後第３の２次コリメーティングリフレクタ１５０へ戻るように反射される。このように逆反射された放射は、第３の２次コリメーティングリフレクタ１５０によってその焦点１５６を通って戻りコリメーティングリフレクタ１１２へ、その後、リダイレクティングリフレクタ１６８によって向け直された後、合焦リフレクタ１２０へと向けられる。
【００４６】
第３の２次コリメーティングリフレクタ１５０のコリメートされた出力は、第３のフラットリフレクタ１６４から第２のフラットリフレクタ１６２に反射され、その後、第２の２次コリメーティングリフレクタ１４０に逆反射される。このように逆反射された放射は、第２の２次コリメーティングリフレクタ１４０によって、焦点１４６を通って戻り第１の２次コリメーティングリフレクタ１３０に向けられる。
【００４７】
したがって、コリメーティング四分円１１２、１３０、１４０および１５０の各々によって集められた光は、合焦リフレクタ１２０によってターゲット１２２に集中され焦点合わせされることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に従う集光システムの実施例を断面で示す概略図である。
【図２】本発明に従う集光システムの斜視図である。
【図３】本発明の集光システムの代替の実施例を断面で示す概略図である。
【図４】本発明の集光システムの別の代替の実施例を断面で示す概略図である。
【図５ａ】本発明の集光システムのさらに別の代替の実施例を断面で示す概略図である。
【図５ｂ】線Ａ−Ａによって示される方向から見た図５ａの実施例の端面図である。
【図６】本発明の集光システムのさらに別の代替の実施例の斜視図である。
【図７ａ】断面線Ａ−Ａによって示される方向から見た図６の実施例を断面で示す概略図である。
【図７ｂ】断面線Ｂ−Ｂの方向から見た図６の実施例を断面で示す概略図である。
【図８ａ】本発明の実施例で採用され得る、多角形導波管ターゲットの概略図である。
【図８ｂ】本発明の実施例で採用され得る、多角形導波管ターゲットの概略図である。
【図８ｃ】本発明の実施例で採用され得る、多角形導波管ターゲットの概略図である。
【図８ｄ】本発明の実施例で採用され得る、多角形導波管ターゲットの概略図である。
【図８ｅ】本発明の実施例で採用され得る、多角形導波管ターゲットの概略図である。
【図８ｆ】本発明の実施例で採用され得る、多角形導波管ターゲットの概略図である。
【図９】この発明に利用され得る円形断面の導波管ターゲットの概略図である。
【図１０ａ】この発明のある実施例に従う先太の導波管ターゲットを示す概略的側面図である。
【図１０ｂ】別の実施例に従う先細の導波管ターゲットを示す概略的側面図である。
【符号の説明】
【００４９】
２０ 電磁放射源
３０、９０，１１２ コリメーティングリフレクタ
４０、４０′、１２０ 合焦リフレクタ
６０、６２、１２２ ターゲット
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０００年３月２９日に出願された米国仮出願番号第６０／１９２，８７９号と、２０００年１月２８日に出願された米国仮出願番号第６０／１７８，７００号と、１９９９年７月１日に出願された米国仮出願番号第６０／１４１，８３２号の利益を請求し、その内容はここに引用により援用される。
【０００２】
この発明は、電磁放射を集光するためのシステムに関し、特に、放射源から放出された放射を集め、集められた放射をターゲットに合焦するためのパラボラリフレクタを組込むシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
シングルファイバもしくはファイババンドルなどの標準の導波管への電磁放射、またはプロジェクタのホモジナイザへの出力を集め、集光し、結合するシステムの機能目的は、ターゲットでの電磁放射の輝度を最大化することである（すなわち、束強度を最大化することである）。先行技術は、球面リフレクタ、楕円リフレクタおよびパラボラリフレクタを伴なう、いわゆる軸上（オンアクシス）リフレクタシステムと、球面リフレクタ、トロイダルリフレクタおよび楕円リフレクタを伴なう軸外れ（オフアクシス）リフレクタシステムとの使用を教示する。ターゲットが、電磁源のアークギャップのサイズと同様である寸法を有する場合、軸外れリフレクタシステムは、ターゲットで、軸上システムよりも高い効率および輝度を達成し、それにより、光ファイバターゲットによって集めることのできる光の量を最大化する。電磁源のアークギャップよりもはるかに大きい寸法を有するターゲットについては、軸上および軸外れリフレクタシステムの両方が、放射源からの放射を導波管に集め集光し結合するために有効である。
【０００４】
軸上システムの欠点は、それらが本質的に、放射源からの放射を、放出された放射の方向に依存するより大きい像に向け直し、このため、放射源がインコヒーレントであるとき放射を可能な限り小さいスポットに集中させるという目的を阻止することである。たとえば、公知の軸上楕円システムは、電磁放射の放出角に依存して、２から８の範囲の倍率を発生する。さまざまに拡大された放射ビームは互いに重ね合わされ、それにより、集められた像のディストーションおよび拡大をもたらす。
【０００５】
さらに、楕円集光システムは、平行な（すなわち、コリメートされた）放射ビームを発生しない。コリメートされたビームは、必要とされるとき集められた放射のフィルタリングを促進することができるので、これは不利益である。
【０００６】
公知の軸上パラボラシステムでは、反射されたビームの発散も、放射源からの放出角に依存する。さらに、そのようなシステムは、完全な条件下では、歪曲された像を発生するが、実際には典型的には、像サイズを有効に増大させ輝度または束強度を低減する、不良な収差像を発生する１つ以上の合焦レンズの使用を必要とする。さらに、軸上システムの出力は、常に円形に対称であり、それゆえ、非円形のターゲットには好適でない可能性がある。
【０００７】
米国特許番号第４，７５７，４３１号は、小さいターゲットを照明する最大束強度および小さいターゲットによる集光可能な光束密度の量を増大させる軸外れ球面凹リフレクタを採用する、改良された集光システムを記載する。このシステムは、軸外れ凹面リフレクタが楕円である米国特許番号第５，４１４，６００号と、軸外れ凹面リフレクタが円環状である米国特許番号第５，４３０，６３４号とにおいてさらに改良された。′６３４特許に記載されたトロイダルシステムは、非点収差を補正し、′６００特許の楕円システムは、′４３１特許の球面リフレクタよりも正確な結合を可能とするが、これらのシステムの各々は、高湾曲反射面への光学コーティングの塗布を必要とする。そのような湾曲表面への光学コーティングの塗布は高価であり、一様なコーティング厚さを達成することが困難である。さらに、そのようなシステムでは、源の像は、源からターゲットへ比較的小さい空間に直接合焦され、それにより、空間の欠如のためにフィルタおよび減衰器などの他の光学要素の挿入を困難にしてしまう。
【０００８】
分光学の分野では、電磁放射を被試験試料の非常に小さいスポットに合焦し、その後試料によって反射される放射を集めることが必要である。軸外れパラボラリフレクタがこの目的のために使用されている。米国特許番号第３，９８６，７６７号は、軸外れ放物面を用いて、平行なビームが小さいスポットに被試験試料の上に直接合焦されるシステムを示す。米国特許番号第Ｒｅ３２，９１２号は、放物面を使用し、ある反射放物面を用いて光が被試験試料の上に合焦され、その同じ焦点からの光が第２の反射放物面を用いて集められることを示す。米国特許番号第４，４７３，２９５号は、放射を被試験試料に合焦しこれから集めるために反射放物面を用いるさらに別の構成を記載する。
【０００９】
米国特許番号第５，１９１，３９３号およびその対応欧州特許番号第０４０１ ３５１ Ｂ１は、小さい特徴部の光学的測定を行なうために、クリーンルームの外側の場所からクリーンルームの内側の場所に光が透過されるシステムを記載する。光を集め透過するための記載された構成の１つは、アークランプ、２つのパラボラリフレクタ、シングルファイバターゲット、および不必要な波長をフィルタリングするための透過性ダイクロイックフィルタを含む。第１のパラボラリフレクタは、フィルタリングリフレクタから源から反射される光を集め、コリメートされたビームを生成する。コリメートされたビームは、第２のパラボラリフレクタに衝突するより前に１つ以上のさらなるフィルタを通過してもよく、第２のパラボラリフレクタは、コリメートされたビームをシングルファイバターゲットに集め合焦する。しかしながら、これらの文献のいずれも、ターゲットでの最小のディストーションで最大の束強度を獲得するように、源と合焦された像との間の単位拡大を達成するためのシステムを記載していない。
【００１０】
したがって、ターゲットで合焦された放射ビームの束強度を最大化する、パラボラリフレクタを用いる電磁放射を集光する方法を提供することが必要とされている。
【００１１】
【特許文献１】米国特許番号第４，７５７，４３１号
【特許文献２】米国特許番号第５，４１４，６００号
【特許文献３】米国特許番号第５，４３０，６３４号
【特許文献４】米国特許番号第３，９８６，７６７号
【特許文献５】米国特許番号第Ｒｅ３２，９１２号
【特許文献６】米国特許番号第４，４７３，２９５号
【特許文献７】米国特許番号第５，１９１，３９３号
【特許文献８】欧州特許番号第０ ４０１ ３５１Ｂ１
【発明の開示】
【００１２】
本発明の局面に従えば、電磁放射を集光するための改良されたシステムは、パラボラリフレクタを採用し、ターゲットでの合焦された像と源の像との間で単位拡大またはほぼ単位拡大を達成し、それにより、ターゲットで最大の合焦強度を発生する。特に、本発明は、電磁放射源から電磁放射を集め、集められた放射を、源によって放出された電磁放射の少なくとも一部で照明されるべきターゲットに合焦するための光学装置に向けられる。装置は、コリメーティングリフレクタおよび合焦リフレクタを含む。コリメーティングリフレクタは、回転放物面の少なくとも一部を含み、光学軸および光学軸上の焦点を有する。コリメーティングリフレクタの焦点に近接して位置する源は、光学軸と平行な方向にコリメーティングリフレクタから反射された放射のコリメートされた光線を発生する。合焦リフレクタは、回転放物面の少なくとも一部を含み、光学軸および光学軸上の焦点を有する。合焦リフレクタは、コリメーティングリフレクタから反射された放射のコリメートされた光線が合焦リフレクタによって反射され、合焦リフレクタの焦点に近接して位置するターゲットに向けて合焦されるように、コリメーティングリフレクタに対して位置決めされ配向される。コリメーティングリフレクタおよび合焦リフレクタは、コリメーティングリフレクタの表面部によって反射された放射の各光線が、ターゲットに向けて合焦リフレクタの対応する表面部によって反射され、実質的に単位拡大を達成するように、わずかに異なった形状または実質的に同じサイズおよび形状を有し互いに対して光学的にほぼ対称に配向され得る。
【００１３】
コリメーティングリフレクタから離れる方向に源によって放出された放射を捕獲し、捕獲された放射を源を通って戻り（すなわち、コリメーティングリフレクタの焦点を通って）コリメーティングリフレクタの方へ反射し、それにより、そこから反射されたコリメートされた光線の強度を増大させるために、コリメーティングリフレクタと関連付けてリトロリフレクタが使用されてもよい。
【００１４】
コリメートおよび合焦リフレクタは、それぞれの光学軸が同一線上に配置された対向して面する関係で配置され得り、または、それらは、それらの光学軸が互いに対してある角度で配置されて配置され得り、この場合には、リダイレクティングリフレクタを採用して、合焦リフレクタの方へコリメーティングリフレクタによって反射されたコリメートされた光線を向け直す。
【００１５】
代替的に、コリメーティングリフレクタおよび合焦リフレクタは、コリメーティングリフレクタおよび合焦リフレクタの一方が実質的に楕円形状を有し、コリメーティングリフレクタおよび合焦リフレクタの他方が対応の実質的に双曲面形状を有する、楕円面／双曲面対を含み、楕円面／双曲面対の各リフレクタは、コリメーティングリフレクタの表面部によって反射された放射の各光線が、合焦リフレクタの対応する表面部によってターゲットの方へ反射され、好ましくは、源とターゲットに合焦された像との間にほぼ単位拡大を達成するように、互いに対して対応するサイズおよび光学的配向を有する。用途に依存して、１以外のより大きいまたはより小さい倍率が使用可能であり、結果として低減された輝度を生じる、すなわち約０．５から約５の倍率である。
【００１６】
フィルタまたは他の光学的要素が、コリメーティングリフレクタと合焦リフレクタとの間に配置可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施例は、さまざまな図面において同様の要素または特徴が同様の参照番号によって表わされる、添付の図面を参照して記載される。
【００１８】
図面を参照して、この発明の例示の実施例を記載する。これらの実施例は、この発明の原理を例示し、この発明の範囲を制限するものと解釈されるべきでない。
【００１９】
本発明の典型的実施例を示す図１を参照し、この発明はこれと関連付けられた以下の４つの主なコンポーネントを有する。
【００２０】
１． 電磁源
電磁源２０は、好ましくは、エンベロープ２２を有する光源である。最も好ましくは、電磁源２０は、キセノンランプ、ハロゲン化金属ランプ、ＨＩＤランプまたは水銀ランプなどのアークランプを含む。ある種の用途では、以下により詳細に記載するように、システムがランプの透明フィラメントに対応するよう変形されるならば、たとえばハロゲンランプなどのフィラメントランプが使用可能である。
【００２１】
２． コリメーティングリフレクタ
コリメーティングリフレクタ３０は、光学軸３８および焦点３６を有する回転放物面の一部を含む。図２に示す実施例では、コリメーティングリフレクタ３０は、回転放物面の第１の四分円３２および第２の四分円３４を含む。代替的に、コリメーティングリフレクタ３０は、回転放物面の単一四分円、より多くまたはより少なくを含んでもよい。コリメーティングリフレクタ３０は、好ましくは、反射コーティング（たとえばアルミニウムまたは銀）を有し、表面は高度に研磨される。ある種の用途では、コリメーティングリフレクタ３０は、波長選択的多層誘電体コーティングで被覆されるガラスからなり得る。たとえば、可視波長においてのみ高反射率のコールドコーティングが、可視光線の応用では使用可能である。コリメーティングリフレクタの焦点３６に配置された電磁源２０により、リフレクタ３０と接触する電磁放射は、リフレクタ３０の光学軸３８に平行してコリメートされたビームとして反射される。電磁源２０がアークランプである場合、アークギャップは好ましくは、コリメーティングリフレクタ３０の焦点距離と比べて小さい。
【００２２】
３． 合焦リフレクタ
合焦リフレクタ４０は、光学軸４８および焦点４６を有する回転放物面の一部を含む。図２に示すように、合焦リフレクタ４０は、回転放物面の第１の四分円４２および第２の四分円４４を含む。代替的に、合焦リフレクタ４０は、回転放物面の単一四分円、より多くまたはより少なくを含んでもよい。合焦リフレクタ４０は、コリメーティングリフレクタ３０と、わずかに異なった形状であってもよく、または、実質的に同じサイズで実質的に同じ形状であってもよい。たとえば、コリメーティングリフレクタ３０が回転放物面の単一四分円を含むならば、合焦リフレクタ４０は、実質的に、同じ回転放物面の単一四分円であるべきである。
【００２３】
合焦リフレクタ４０は、コリメーティングリフレクタ３０によって反射されたコリメートされた電磁放射が合焦リフレクタ４０の放物面に当り、その後合焦リフレクタ４０の焦点４６の方へ焦点合わせされるように、位置決めされ配向される。コリメーティングリフレクタ３０と合焦リフレクタ４０との間の単位拡大（すなわち、電磁源と実質的に同じサイズである合焦された像）を達成するために、コリメーティングリフレクタ３０の表面部によって反射されコリメートされた電磁放射の各光線が、最大可能輝度である焦点４６での焦点を達成するために、合焦リフレクタ４０の対応の表面部によって反射され合焦されることが重要である。この開示の文脈では、コリメーティングリフレクタ３０の表面部によってコリメートされた電磁放射の各光線が合焦リフレクタ４０の対応の表面部によって合焦されるように、コリメーティングリフレクタ３０および合焦リフレクタ４０を互いに対して配向し位置決めすることを、リフレクタを互いに対して「光学対称」に位置決めするという。
【００２４】
４． ターゲット
ターゲット６０は、可能な限り最高の強度での照明を必要とする小さい物体である。好ましい実施例では、ターゲット６０は、シングルコア光ファイバ、光ファイバの溶着されたバンドル、ファイババンドル、またはホモジナイザなどの導波管である。ターゲットの入力端、たとえば光ファイバの近端は、合焦リフレクタ４０の焦点に位置決めされ、合焦リフレクタ４０によって反射された電磁放射の合焦された光線をそこで受取る。
【００２５】
上述したように、ターゲット６０は導波管であり得、図８ａ〜図８ｆに示すように断面が多角形、または図９に示すように断面が円形であり得る。さらに、ターゲット６０は、図１０ａに示すように先太になる導波管、または図１０ｂに示すように先細になる導波管であり得る。
【００２６】
ターゲットおよび電磁源は、本発明の集光システムと密接に関連付けられるが、そのより広い局面に従って、この発明は、互いに対して光学対称であるように配置された実質的に同じサイズおよび形状の２つのパラボラリフレクタの使用に関する。
【００２７】
集光システムの記載を続けると、図１に示す配置では、コリメーティングリフレクタ３０および合焦リフレクタ４０は、互いの方に凹状であるように互いに対して対向して面する関係で位置決めされる。光学対称は、コリメーティングリフレクタ３０および合焦リフレクタ４０を、それぞれの光学軸３８および４８が同一線上になるように、かつ、コリメーティングリフレクタ３０の反射面が合焦リフレクタ４０の対応の反射面と対向して面する関係にあり単位拡大を達成するように配置することによって、図１の配置において達成される。
【００２８】
代替の実施例では、図１を参照して、コリメーティングリフレクタ３０および合焦リフレクタ４０は、楕円面／双曲面対であるコリメーティング／合焦リフレクタ対を含み、コリメーティングリフレクタ３０および合焦リフレクタ４０の１つが、それぞれ、実質的に楕円面の形状を有し、コリメーティングリフレクタ３０および合焦リフレクタ４０の他方が、それぞれ、対応の実質的に双曲面の形状を有し、楕円面／双曲面対の各リフレクタは、コリメーティングリフレクタ３０の表面部によって反射される放射の各光線が、ターゲットの方へ合焦リフレクタ４０の対応の表面部によって反射されて、好ましくは電磁源とターゲット上に合焦された像との間にほぼ単位拡大を達成するように、互いに対して対応のサイズおよび光学的配向を有する。用途に依存して、１以外のより大きいまたはより小さい倍率が低減された輝度で使用可能である、すなわち約０．５から約５の倍率である。
【００２９】
図２に示すように、コリメーティングリフレクタが回転放物面の第１の四分円３２および第２の四分円３４を含み、合焦リフレクタ４０が同様のサイズおよび形状の回転放物面の第１の四分円４２および第２の四分円４４を含む場合、２つのターゲット、すなわちファイバ６０ａおよび６０ｂを収容して２つの独立した出力を達成することが可能である。例示の実施例では、出力６０ａは、コリメーティングリフレクタ３０の第２の四分円３４および合焦リフレクタ４０の第２の四分円４４から電磁放射を受取る。出力６０ｂは、コリメーティングリフレクタ３０の第１の四分円３２および合焦リフレクタ４０の第１の四分円４２から電磁放射を受取る。２つのファイバ６０ａおよび６０の同時的な配置を可能とするために、合焦リフレクタ４０の第１の四分円４２および第２の四分円４４は、合焦リフレクタ４０の光学軸に沿って少量だけ互いから空間的にオフセットされなければならない。
【００３０】
図１および図２に示すように、本発明の集光システムは、例示の実施例では球面リトロリフレクタであるリトロリフレクタ５０の使用を組込み得る。リトロリフレクタ５０は、電磁源２０によって放出され他の態様ではコリメーティングリフレクタ３０に当らないであろう電磁放射を捕獲するように位置決めされる。より特定的には、球面リトロリフレクタ５０は、コリメーティングリフレクタ３０から離れる方向に電磁源２０によって放出される放射が、コリメーティングリフレクタ３０の焦点３６を通って戻りその後にコリメーティングリフレクタ３０に向かって反射されるように、構成および配置される。コリメーティングリフレクタ３０によって反射されたこのさらなる放射は、コリメートされ、電磁源２０から直接コリメーティングリフレクタ３０に当る放射に加えられ、それにより、合焦リフレクタ４０の方へ反射されるコリメートされた放射の強度を増大させる。したがって、合焦リフレクタ４０の焦点４６の放射の強度も増大される。
【００３１】
フィラメントランプが電磁源２０として採用されるならば、逆反射された放射は焦点３６に位置する不透明なフィラメントによって遮断されてしまうので、リトロリフレクタは、コリメーティングリフレクタ３０の焦点３６を通って戻る放射を合焦するように配向されることができない。この場合には、リトロリフレクタ５０の位置は、逆反射された放射が焦点３６を正確に通過しないように調節されるべきである。
【００３２】
球面リトロリフレクタの代替として、逆反射機能は、電磁源２０のアークサイズまたはそれより小さいオーダでサイズ決めされた単位要素を備える２次元コーナキューブアレイ（図示せず）によって行なうことができる。２次元コーナキューブアレイを採用することは、リトロリフレクタを正確に位置決めする必要をなくし、電磁源２０のアークでより密な焦点を発生する。
【００３３】
図１に示すように、コリメーティングリフレクタ３０および合焦リフレクタ４０を分離する空間的距離のために、フィルタ５６などのさまざまな光学要素が、リフレクタ３０と４０との間に挿入され得る。リフレクタ３０と４０との間で透過される電磁放射はコリメートされているので、そのような光学要素は、単純な形状および設計が可能である。図１に示すように、フィルタ５６は平面フィルタである。
【００３４】
図３は、本発明の集光システムの代替の配置を示す。図３の配置では、ターゲット６２はもはや、シングル光ファイバではなく、光ファイバのバンドル６２である（ただし、図示の配置は上述のターゲットのいずれとも使用可能である）。さらに、図３の配置では、光学軸４８′および焦点４６′を有する合焦リフレクタ４０′は、コリメーティングリフレクタ３０に対してオフセットされる。すなわち、合焦リフレクタ４０′の光学軸４８′は、図１および図２の実施例においてのように、コリメーティングリフレクタ３０の光学軸３８と同一線上にない。コリメーティングリフレクタ３０と合焦リフレクタ４０′との光学対称（すなわち単位拡大）は、コリメーティングリフレクタ３０と実質的に同じサイズおよび形状の合焦リフレクタ４０′を採用することにより、かつ、コリメーティングリフレクタ３０から反射されたコリメートされた電磁放射の経路にリダイレクティングリフレクタ６４を正確に位置決めすることにより、達成される。リダイレクティングリフレクタ６４は、反射された放射もコリメートされるように平坦なリフレクタ（フラットリフレクタ）である。リダイレクティングリフレクタ６４および合焦リフレクタ４０′は、向き直されコリメートされた放射が、コリメーティングリフレクタ３０および合焦リフレクタ４０′の両方の対応する表面部から反射されるように、正確に位置決めされる。
【００３５】
空間的または他の制限によって、コリメーティングリフレクタ３０および合焦リフレクタ４０′が、それぞれの光学軸３８，４８′が互いに同一線上になるように配置されることが可能でない状況において、図３に示す配置は使用可能である。光学対称が維持される限り、合焦リフレクタおよびコリメーティングリフレクタのさらなる空間的変動を可能とするために、１つ以上のさらなるリダイレクティングリフレクタが採用され得ることが理解される。
【００３６】
リダイレクティングリフレクタ６４は単純なリフレクタであってもよく、または、それは反射フィルタであってもよい。
【００３７】
本発明の集光システムの別の代替の配置が図４に示される。図４の配置では、球面リトロリフレクタ５０は、好ましくはコリメーティングリフレクタ３０の、それぞれ光学軸３８および焦点３６と一致する光学軸７８および焦点７６を有する回転放物面を含む２次コリメーティングリフレクタ７０と置換される。２次コリメーティングリフレクタ７０は、好ましくは、コリメーティングリフレクタ３０と同じサイズおよび形状である。すなわち、コリメーティングリフレクタ３０が回転放物面の単一四分円を含むならば、２次コリメーティングリフレクタ７０も、同様の回転放物面の単一四分円を含むであろう。
【００３８】
フラットリフレクタ７２は、２次コリメーティングリフレクタ７０の出力端において光学軸７８と実質的に垂直に位置決めされる。図面に示すように、コリメーティングリフレクタ３０から離れて電磁源２０によって放出される放射は、２次コリメーティングリフレクタ７０によって反射されコリメートされる。リフレクタ７０によって反射され、光学軸７８と平行であるコリメートされた放射は、フラットリフレクタ７２から２次コリメーティングリフレクタ７０に戻って反射し、その後、焦点７６および３６に戻って通りコリメーティングリフレクタ３０の方へ反射され、それにより、合焦リフレクタ４０の方へ反射されるコリメートされた放射の強度を増大させる。したがって、２次コリメーティングリフレクタ７０およびフラットリフレクタ７２はともにリトロリフレクタとして機能する。
【００３９】
コリメーティングリフレクタおよび２次コリメーティングリフレクタが各々回転放物面の２つの四分円を含んで、併せてそれらが完全な回転放物面を規定するならば、２次コリメーティングリフレクタ四分円の各々は、正反対に対向するコリメーティングリフレクタ四分円の方へ放射を逆反射する。
【００４０】
本発明の集光システムの別の代替の配置が図５ａおよび図５ｂに示される。図５ａの配置では、システムは、陽極８４と、陰極支持部材８６によって支持される陰極８２と、陽極と陰極との間で、図５ａの集光システムの源を構成するアーク８７とを有するサーマックスランプ（cermax lamp）８０を含む。サーマックスランプ８０は、窓８８によってその開いた端が覆われたパラボラミラー８１を含む。回転放物面の第１の四分円９２および第２の四分円９４を含むパラボラミラー８１の上半分は、システムのコリメーティングリフレクタ９０を構成する。回転放物面の第３の四分円１０２および第４の四分円１０４を含むパラボラリフレクタ８１の下半分は、２次コリメーティングリフレクタ１００の、それぞれ第１および第２の四分円を構成する。コリメーティングリフレクタ９０は、焦点９６および光学軸９８を有し、２次コリメーティングリフレクタ１００は、コリメーティングリフレクタ９０のそれぞれ焦点９６および光学軸９８と一致する焦点１０６および光学軸１０８を有する。フラットリフレクタ１１０が、２次コリメーティングリフレクタ１００の開いた端の正面に配設され、その光学軸１０８と垂直になるように配置される。
【００４１】
図４の配置とほとんど同じように、直接コリメーティングリフレクタ９０の方へアーク８７で放出された放射は、光学軸９８と平行であるコリメートされた光線で、合焦リフレクタ４０の方へ反射される。コリメーティングリフレクタ９０から離れてアーク８７によって放出された放射は、フラットリフレクタ１１０に向かって２次コリメーティングリフレクタ１００によって反射されコリメートされる。その後、放射は、フラットリフレクタ１１０によって２次コリメーティングリフレクタ１００へ戻り、焦点９６を通ってコリメーティングリフレクタ９０に反射される。したがって、２次コリメーティングリフレクタ１００およびフラットリフレクタ１１０はともにリトロリフレクタとして機能する。コリメーティングリフレクタ９０に直接放出された放射とともに、逆反射された放射は、コリメーティングリフレクタ９０の第１および第２の四分円９２および９４によってコリメートされ、窓８８を通ってサーマックスランプ８０から出ていく平行なビームとなる。ターゲットで合焦された像の単位拡大を達成するために、サーマックスランプのコリメーティングリフレクタ部９０と同じサイズおよび形状である、光学軸４８および焦点４６を有する合焦リフレクタ４０は、コリメーティングリフレクタ９０に対して光学対称に位置決めされる。コリメーティングリフレクタ９０によって反射されるコリメートされた放射は、合焦リフレクタ４０によってアーク８７のサイズと同様のサイズを有する合焦された像に合焦される。
【００４２】
図６および図７は、回転放物面全体の反射出力が、光学軸１２８および焦点１２６を有する回転放物面の単一四分円を含む合焦リフレクタ１２０に集光される、本発明の集光システムの別の代替の配置を示す。特に、パラボラリフレクタ１１０は、光学軸１１８および焦点１１６を有し、回転放物面の単一四分円を含むコリメーティングリフレクタ１１２を規定する。パラボラリフレクタ１１０はさらに、光学軸１３８および焦点１３６を有する第１の２次コリメーティングリフレクタ１３０と、光学軸１４８および焦点１４６を有する第２の２次コリメーティングリフレクタ１４０と、光学軸１５８および焦点１５６を有する第３の２次コリメーティングリフレクタとを規定する。焦点１１６、１３６、１４６および１５６は、好ましくは、光学軸１１８、１３８、１４８および１５８と同様に、互いと一致する。
【００４３】
リダイレクティングリフレクタ１６８は、リフレクタ１１２のコリメートされた反射出力を、コリメーティングリフレクタ１１２に対して光学的に対称になるように位置決めされ配置された合焦リフレクタ１２０の方へ向け直すように、コリメーティングリフレクタ１１２に対して作動的に位置決めされる。リフレクタ１６８は単純なリフレクタであってもよく、または反射フィルタであってもよい。
【００４４】
第１のフラットリフレクタ１６０は、第１の２次コリメーティングリフレクタ１３０の正面に作動的に位置決めされ、光学軸１３８に垂直になるように配置される。リフレクタ１６０は、リフレクタ１３０へ、第１の２次コリメーティングリフレクタ１３０のコリメートされた出力を反射し返し、リトロリフレクタとして機能する。その後、逆反射された放射は、焦点１３６に戻り、第２の２次コリメーティングリフレクタ１４０の方へ反射される。
【００４５】
第２のフラットリフレクタ１６２および第３のフラットリフレクタ１６４は、互いに直角に配置され、それぞれ、第２の２次コリメーティングリフレクタ１４０および第３の２次コリメーティングリフレクタ１５０の正面に作動的に位置決めされる。第２および第３のフラットリフレクタ１６２および１６４を交差する直角によって形成される頂点１６６は、光学軸１１８、１３８、１４８および１５８に対して直角に配置される。第２の２次コリメーティングリフレクタ１４０のコリメートされた出力は、第２のフラットリフレクタ１６２から第３のフラットリフレクタ１６４へ、その後第３の２次コリメーティングリフレクタ１５０へ戻るように反射される。このように逆反射された放射は、第３の２次コリメーティングリフレクタ１５０によってその焦点１５６を通って戻りコリメーティングリフレクタ１１２へ、その後、リダイレクティングリフレクタ１６８によって向け直された後、合焦リフレクタ１２０へと向けられる。
【００４６】
第３の２次コリメーティングリフレクタ１５０のコリメートされた出力は、第３のフラットリフレクタ１６４から第２のフラットリフレクタ１６２に反射され、その後、第２の２次コリメーティングリフレクタ１４０に逆反射される。このように逆反射された放射は、第２の２次コリメーティングリフレクタ１４０によって、焦点１４６を通って戻り第１の２次コリメーティングリフレクタ１３０に向けられる。
【００４７】
したがって、コリメーティング四分円１１２、１３０、１４０および１５０の各々によって集められた光は、合焦リフレクタ１２０によってターゲット１２２に集中され焦点合わせされることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に従う集光システムの実施例を断面で示す概略図である。
【図２】本発明に従う集光システムの斜視図である。
【図３】本発明の集光システムの代替の実施例を断面で示す概略図である。
【図４】本発明の集光システムの別の代替の実施例を断面で示す概略図である。
【図５ａ】本発明の集光システムのさらに別の代替の実施例を断面で示す概略図である。
【図５ｂ】線Ａ−Ａによって示される方向から見た図５ａの実施例の端面図である。
【図６】本発明の集光システムのさらに別の代替の実施例の斜視図である。
【図７ａ】断面線Ａ−Ａによって示される方向から見た図６の実施例を断面で示す概略図である。
【図７ｂ】断面線Ｂ−Ｂの方向から見た図６の実施例を断面で示す概略図である。
【図８ａ】本発明の実施例で採用され得る、多角形導波管ターゲットの概略図である。
【図８ｂ】本発明の実施例で採用され得る、多角形導波管ターゲットの概略図である。
【図８ｃ】本発明の実施例で採用され得る、多角形導波管ターゲットの概略図である。
【図８ｄ】本発明の実施例で採用され得る、多角形導波管ターゲットの概略図である。
【図８ｅ】本発明の実施例で採用され得る、多角形導波管ターゲットの概略図である。
【図８ｆ】本発明の実施例で採用され得る、多角形導波管ターゲットの概略図である。
【図９】この発明に利用され得る円形断面の導波管ターゲットの概略図である。
【図１０ａ】この発明のある実施例に従う先太の導波管ターゲットを示す概略的側面図である。
【図１０ｂ】別の実施例に従う先細の導波管ターゲットを示す概略的側面図である。
【符号の説明】
【００４９】
２０ 電磁放射源
３０、９０，１１２ コリメーティングリフレクタ
４０、４０′、１２０ 合焦リフレクタ
６０、６２、１２２ ターゲット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁放射源と、
前記源によって放出された電磁放射の少なくとも一部で照明されるべきターゲットと、
光学軸および前記光学軸上の焦点を有するコリメーティングリフレクタとを含み、前記源は、前記コリメーティングリフレクタの前記焦点に近接して位置して、前記光学軸に実質的に平行な方向に前記コリメーティングリフレクタから反射される放射のコリメートされた光線を発生し、さらに、
回転放物面の少なくとも一部を含む合焦リフレクタを含み、前記合焦リフレクタは、光学軸および前記光学軸上の焦点を有し、前記ターゲットは、前記合焦リフレクタの前記焦点に近接して位置し、前記合焦リフレクタは、前記コリメーティングリフレクタから反射された放射のコリメートされた光線が前記合焦リフレクタによって反射され実質的に前記ターゲットの方へ合焦されるように、前記コリメーティングリフレクタに対して位置決めされ配向され、
前記コリメーティングリフレクタおよび前記合焦リフレクタは、以下からなるグループから選択されたコリメーティング／合焦リフレクタ対を含む：
（ａ）１対のリフレクタであって、前記１対のリフレクタの各リフレクタは、実質的回転放物面の少なくとも一部を含みほぼ同じサイズおよび形状を有し、コリメーティングリフレクタおよび合焦リフレクタは、前記コリメーティングリフレクタの表面部によって反射された放射の各光線が前記合焦リフレクタの対応の表面部によって前記ターゲット方へ反射されて、源と前記ターゲット上に合焦された像とを同じサイズとする単位拡大を達成するように、互いに対して対応のサイズおよび光学的配向を有し、
（ｂ）コリメーティングリフレクタおよび合焦リフレクタの楕円面／双曲面対を含む１対のリフレクタであって、楕円面／双曲面対のコリメーティングリフレクタおよび合焦リフレクタの一方は実質的に楕円の形状を有し、コリメーティングリフレクタおよび合焦リフレクタの他方は対応の実質的に双曲面の形状を有し、楕円面／双曲面対の各リフレクタは、前記コリメーティングリフレクタの表面部によって反射された放射の各光線が、前記合焦リフレクタの対応の表面部によって前記ターゲットの方へ反射されて、源に対して前記ターゲット上に合焦された像を約０．５から約５の倍率のサイズとするほぼ単位拡大を達成するように、互いに対して対応のサイズおよび光学的配向を有する、光学装置。
【請求項１】
電磁放射源と、
前記源によって放出された電磁放射の少なくとも一部で照明されるべきターゲットと、
光学軸および前記光学軸上の焦点を有するコリメーティングリフレクタとを含み、前記源は、前記コリメーティングリフレクタの前記焦点に近接して位置して、前記光学軸に実質的に平行な方向に前記コリメーティングリフレクタから反射される放射のコリメートされた光線を発生し、さらに、
回転放物面の少なくとも一部を含む合焦リフレクタを含み、前記合焦リフレクタは、光学軸および前記光学軸上の焦点を有し、前記ターゲットは、前記合焦リフレクタの前記焦点に近接して位置し、前記合焦リフレクタは、前記コリメーティングリフレクタから反射された放射のコリメートされた光線が前記合焦リフレクタによって反射され実質的に前記ターゲットの方へ合焦されるように、前記コリメーティングリフレクタに対して位置決めされ配向され、
前記コリメーティングリフレクタおよび前記合焦リフレクタは、以下からなるグループから選択されたコリメーティング／合焦リフレクタ対を含む：
（ａ）１対のリフレクタであって、前記１対のリフレクタの各リフレクタは、実質的回転放物面の少なくとも一部を含みほぼ同じサイズおよび形状を有し、コリメーティングリフレクタおよび合焦リフレクタは、前記コリメーティングリフレクタの表面部によって反射された放射の各光線が前記合焦リフレクタの対応の表面部によって前記ターゲット方へ反射されて、源と前記ターゲット上に合焦された像とを同じサイズとする単位拡大を達成するように、互いに対して対応のサイズおよび光学的配向を有し、
（ｂ）コリメーティングリフレクタおよび合焦リフレクタの楕円面／双曲面対を含む１対のリフレクタであって、楕円面／双曲面対のコリメーティングリフレクタおよび合焦リフレクタの一方は実質的に楕円の形状を有し、コリメーティングリフレクタおよび合焦リフレクタの他方は対応の実質的に双曲面の形状を有し、楕円面／双曲面対の各リフレクタは、前記コリメーティングリフレクタの表面部によって反射された放射の各光線が、前記合焦リフレクタの対応の表面部によって前記ターゲットの方へ反射されて、源に対して前記ターゲット上に合焦された像を約０．５から約５の倍率のサイズとするほぼ単位拡大を達成するように、互いに対して対応のサイズおよび光学的配向を有する、光学装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【図８ｃ】
【図８ｄ】
【図８ｅ】
【図８ｆ】
【図９】
【図１０ａ】
【図１０ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５ａ】
【図５ｂ】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８ａ】
【図８ｂ】
【図８ｃ】
【図８ｄ】
【図８ｅ】
【図８ｆ】
【図９】
【図１０ａ】
【図１０ｂ】
【公開番号】特開２００９−１２２６８６（Ｐ２００９−１２２６８６Ａ）
【公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３２４２０６（Ｐ２００８−３２４２０６）
【出願日】平成２０年１２月１９日（２００８．１２．１９）
【分割の表示】特願２００１−５０７９７８（Ｐ２００１−５０７９７８）の分割
【原出願日】平成１２年６月２８日（２０００．６．２８）
【出願人】（５０５３１５３９５）ウェイヴィーン・インコーポレイテッド (12)
【住所又は居所原語表記】２９０２３ ＴＨＥ ＯＬＤ ＲＯＡＤ，ＶＡＬＥＮＣＩＡ， ＣＡＬＩＦＯＲＮＩＡ ９１３５５， ＵＮＩＴＥＤ ＳＴＡＴＥＳ ＯＦ ＡＭＥＲＩＣＡ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１９日（２００８．１２．１９）
【分割の表示】特願２００１−５０７９７８（Ｐ２００１−５０７９７８）の分割
【原出願日】平成１２年６月２８日（２０００．６．２８）
【出願人】（５０５３１５３９５）ウェイヴィーン・インコーポレイテッド (12)
【住所又は居所原語表記】２９０２３ ＴＨＥ ＯＬＤ ＲＯＡＤ，ＶＡＬＥＮＣＩＡ， ＣＡＬＩＦＯＲＮＩＡ ９１３５５， ＵＮＩＴＥＤ ＳＴＡＴＥＳ ＯＦ ＡＭＥＲＩＣＡ
【Ｆターム（参考）】
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