Конденсорная и собирающая система для сбора электромагнитного излучения - RU2144687C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к конденсорным и собирающим системам для сбора электромагнитного излучения и более конкретно - к системам, обеспечивающим высокую интенсивность освещения малых объектов таких, как торец оптического волокна.

Обычно при разработке собирающих и конденсорных систем для потока электромагнитного излучения особое внимание уделяют сбору и перераспределению максимального количества света от одиночного точечного изотропного источника. Задача концентрации светового потока до точки малых размеров решается различными путями. Попытка обеспечить с помощью таких систем изображение в виде точки малых размеров приводит к уменьшению потока излучения, поскольку основное назначение обычных систем (т.е. сбор и перенаправление максимального количества света) неизбежно входит в противоречие с необходимостью сжатия потока света в точку с как можно более малыми размерами при излучении света от обычного некогерентного источника. Следовательно, изображение в виде точки малых размеров может быть получено только за счет уменьшения плотности потока.

Обычно используют две основные схемы для оптической собирающей и конденсорной системы. Первая представляет собой систему конденсорных линз, как показано на фиг. 1. Конденсорные линзы обладают рядом недостатков, включая возникновение хроматических и сферических аберраций, высокую стоимость корректирующей оптики, неизбежную сложность юстировки или совмещения линз и большие габаритные размеры системы. В известных из уровня техники системах также используют эллипсоидные отражатели, представленные на фиг. 2. Их недостатки заключаются в высокой стоимости, а также в неизбежном увеличении размеров изображения, что приводит к уменьшению плотности потока в точке проецирования изображения. Как указано выше, основным назначением этих двух систем (фиг. 1 и 2) является сбор и перераспределение максимального количества света от одиночного точечного источника. Таким образом, задача оптимизировать размер точечного изображения и плотность светового потока в этих системах не решена.

Один из возможных вариантов системы, представленной на фиг. 1, был описан ранее в патенте Франции 1383413. В этой системе для сбора и сжатия света от источника, представляющего собой нить накаливания, для его ввода в оптический волновод используют вогнутое сферическое зеркало с центром кривизны, лежащим на оптической оси. Источник света помещают в центр кривизны зеркала, а свет фокусируют на торце оптического волновода в точке, расположенной напротив сферического зеркала. Большая эффективность достигается за счет применения второго сферического зеркала, размещаемого напротив первого сферического отражателя и фокусирующего свет в обратном направлении сквозь источник на первый отражатель. В центре второго отражателя предусмотрено отверстие, в которое для сбора отраженного излучения может быть помещен оптический волновод, ориентированный вдоль оптической оси. В этом патенте также описано применение основного или первого эллиптического зеркала с конфигурацией, представленной на фиг. 2, за исключением того, что второй сферический отражатель, центр кривизны которого совмещен с источником и который расположен на некотором расстоянии между первой и второй фокальными точками эллиптического отражателя, используется для увеличения количества собранного света, направляемого в оптический волновод. Оптический волновод размещен вдоль оптической оси во второй фокальной точке, а отверстие для ввода света в волновод расположено во втором отражателе.

В патенте США 4757431, который включен в настоящее описание в качестве ссылки, предложена улучшенная конденсорная и собирающая система, в которой для увеличения плотности потока, направляемого на объект, использован сферический отражатель, смещенный относительно оптической оси. Как показано на фиг. 3, в этой "внеосевой" системе источник смещен в поперечном направлении от оптической оси отражателя, а освещаемый объект расположен приблизительно симметрично источнику по другую сторону оптической оси. Однако такая система обладает определенными недостатками, являющимися следствием "внеосевого размещения" источника и освещаемого объекта, включая наличие астигматизма вдоль направления смещения от оси и физические ограничения, накладываемые требованием минимизации этого смещения от оптической оси. Эффект астигматизма приводит к снижению концентрирующих свойств системы и тем самым к снижению плотности потока света, падающего на освещаемый объект. Помимо этого, требование минимизации расстояния между смещенными от оси источником и освещаемым объектом вследствие возникновения астигматического искажения в этой системе накладывает ограничения на физические размеры источника и освещаемого объекта.

Следовательно, задача настоящего изобретения заключается в создании оптической системы с лежащими на оптической оси элементами, которая обладала бы улучшенными собирающими свойствами в отношении света, испускаемого локализованным источником электромагнитного излучения и падающего на оптический объект, имеющий малые размеры.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание оптической системы с лежащими на оптической оси элементами, которая состоит из источника, основного (или первого) отражателя и оптического объекта и в которой как источник, так и оптический объект лежат на оптической оси основного отражателя, но разнесены в осевом направлении друг от друга.

Другой задачей настоящего изобретения является создание оптической системы с лежащими на оптической оси элементами, в которой устранены недостатки, связанные с астигматическими аберрациями и физическими ограничениями, присущими "внеосевой" системе.

Для решения этих и других задач согласно настоящему изобретению предложена конденсорная и собирающая система для сбора электромагнитного излучения, включающая основной отражатель, имеющий вогнутую часть отражающей поверхности, которая определяет оптическую ось и центр кривизны, лежащий на оптической оси, источник электромагнитного излучения, имеющий колбу и расположенный приблизительно на оптической оси, но смещенный по оси на первое расстояние от указанного центра кривизны вогнутой части поверхности в сторону вогнутой части поверхности, при этом основной отражатель имеет конфигурацию, позволяющую отражать по существу все излучение, испускаемое источником, и объект, расположенный приблизительно на оптической оси, но смещенный по оси на второе расстояние от указанного центра кривизны вогнутой части поверхности для получения по существу сфокусированного изображения источника, отражаемого вогнутой частью поверхности.

При этом в системе первое и второе расстояния приближенно связаны выражением
(1 - Z_s/r₁)•(1 - Z_i/r₁) = 1,
Z_s обозначает первое расстояние, Z_i обозначает второе расстояние, а г₁ обозначает радиус кривизны, соответствующий указанному центру кривизны вогнутой части отражающей поверхности основного отражателя.

Предпочтительно вогнутой части поверхности основного отражателя придать либо параболическую форму, либо эллипсоидную форму, либо тороидальную форму, либо асферическую форму.

В наиболее предпочтительном варианте исполнения системы вогнутая часть поверхности отражателя имеет в основном тороидальную форму, образующую тороидальную часть поверхности с указанным центром кривизны, являющимся первым центром кривизны, и соответствующим первым радиусом кривизны в первой плоскости и вторым центром кривизны и соответствующим вторым радиусом кривизны во второй плоскости, перпендикулярной первой плоскости, при этом первый и второй радиусы кривизны имеют различную длину для уменьшения оптических аберраций, обусловленных колбой источника, в которую помещен этот источник, путем совмещения первой точки формирования изображения, образуемой световыми лучами в первой плоскости, со второй точкой формирования изображения, образуемой световыми лучами во второй плоскости.

Целесообразно, когда вся поверхность основного отражателя образована вогнутой частью поверхности.

Источником электромагнитного излучения для данной системы может быть электродуговая лампа переменного или постоянного тока, газоразрядная лампа, лампа накаливания, светоизлучающий диод и полупроводниковый лазер.

Испускаемые этими источниками излучение представляет собой импульсное излучение, непрерывное излучение, когерентное излучение, некогерентное излучение, монохроматическое излучение, широкополосное излучение, узкополосное излучение, либо любую комбинацию из указанных видов излучения.

В качестве объекта системы целесообразно использовать объект, выбранный из группы, включающей по меньшей мере одно оптическое волокно, срез проксимального торца которого расположен под углом, перпендикулярным продольной оси оптического волокна, и по меньшей мере одно оптическое волокно, срез проксимального торца которого расположен под углом, не перпендикулярным продольной оси оптического волокна.

В одном из желательных вариантов реализации изобретения источник излучения представляет собой лампу, снабженную колбой, а корректирующая оптика для компенсации оптических аберраций в практически сфокусированном изображении, обусловленных колбой лампы, размещена в положении, выбранном из первого положения между вогнутой частью поверхности основного отражателя и источником и второго положения между источником и освещаемым объектом.

Желательно предложенную систему оснастить дополнительно вспомогательным отражателем, расположенным практически напротив вогнутой части отражающей поверхности основного отражателя по отношению к источнику, для отражения излучения, испускаемого источником, в обратном направлении сквозь источник в сторону вогнутой части отражающей поверхности основного отражателя.

При этом отражающая поверхность вспомогательного отражателя вогнута относительно источника и содержит часть, в основном имеющую тороидальную или сферическую, или асферическую форму.

При использовании предложенной системы отражающие поверхности основного и вспомогательного отражателей подвергают по меньшей мере одной операции оптической обработки для регулирования потока излучения.

В том случае, когда в системе объект представляет собой оптическое волокно, на его торце фокусируется излучение, отраженное вогнутой частью отражающей поверхности основного отражателя, а на поверхности второго отражателя выполнено отверстие, ось которого совпадает с оптической осью и в которое пропущен торец оптического волокна, где фокусируется излучение.

В одном из вариантов выполнения системы она может быть оснащена корпусом, внутренние поверхности стенок которого образуют основной и вспомогательный отражатели.

Целесообразно снабдить этот корпус крышкой и дном, которые прикрепляются к его стенкам и образуют вместе с ними герметичную конструкцию, заполняемую при необходимости сжатым газом.

Желательно также основной и вспомогательный отражатели конструктивно объединить в единый отражатель, расположенный на внутренней поверхности корпуса.

В этом случае целесообразно в корпусе предусмотреть дополнительно окно, расположив его в области концентрации излучения, для прохождения излучения из корпуса наружу к проксимальному торцу оптического волокна, выбранного из первого оптического волокна, торец которого примыкает к окну, и второго оптического волокна, торец которого расположен на некотором расстоянии от окна.

Предпочтительно окну придать плоскую поверхность за счет практически прозрачного, не влияющего на изображение оптического элемента, или практически прозрачного, влияющего на изображение оптического элемента.

В предпочтительной форме выполнения изобретения окно с плоской поверхностью представляет собой прозрачное, не влияющее на изображение полусферическое окно, образованное на плоской поверхности, причем это полусферическое окно отцентрировано относительно практически сфокусированного изображения, отраженного сферической частью поверхности основного отражателя.

Следует отметить, что окно подвергают по меньшей мере одной операции оптической обработки для регулирования потока излучения.

В еще одном варианте выполнения изобретения конденсорная и собирающая система для сбора электромагнитного излучения включает основной отражатель, имеющий вогнутую часть отражающей поверхности, причем эта вогнутая часть отражающей поверхности определяет оптическую ось и центр кривизны, лежащий на оптической, оси, источник электромагнитного излучения, расположенный приблизительно на оптической оси, но смещенный по оси на первое расстояние от указанного центра кривизны вогнутой части поверхности в сторону вогнутой части поверхности, и объект, расположенный приблизительно на оптической оси, но смещенный по оси на второе расстояние от указанного центра кривизны вогнутой части поверхности в направлении от вогнутой части поверхности для получения практически сфокусированного изображения источника, отражаемого вогнутой частью поверхности, при этом первое и второе расстояния приближенно связаны выражением
(1-Z_s/r₁)•(1- Z_i/r₁) = 1,
где Z_s обозначает первое расстояние, Z_i обозначает второе расстояние, а r₁ обозначает радиус кривизны, соответствующий указанному центру кривизны вогнутой части отражающей поверхности основного отражателя.

В другом варианте выполнения изобретения конденсорная и собирающая система для сбора электромагнитного излучения, включает основной отражатель, имеющий вогнутую часть отражающей поверхности, причем эта вогнутая часть отражающей поверхности определяет оптическую ось и центр кривизны, лежащий на оптической оси, источник электромагнитного излучения, расположенный приблизительно на оптической оси, но смещенный по оси на первое расстояние от указанного центра кривизны вогнутой части поверхности в сторону вогнутой части поверхности, и объект, расположенный приблизительно на оптической оси, но смещенный по оси на второе расстояние от указанного центра кривизны вогнутой части поверхности в направлении от вогнутой части поверхности для получения практически сфокусированного изображения источника, отражаемого вогнутой частью поверхности, при этом вогнутая часть поверхности имеет в основном тороидальную форму, образующую тороидальную часть поверхности с центром кривизны, являющимся первым центром кривизны, и соответствующим первым радиусом кривизны в первой плоскости и вторым центром кривизны и соответствующим вторым радиусом кривизны во второй плоскости, перпендикулярной первой плоскости, причем указанные первый радиус кривизны и второй радиус кривизны имеют различную длину для уменьшения оптических аберраций, обусловленных колбой источника, в которую помещен этот источник, путем совмещения первой точки формирования изображения, образуемой световыми лучами в первой плоскости, со второй точкой формирования изображения, образуемой световыми лучами во второй плоскости.

В еще одном варианте выполнения изобретения конденсорная и собирающая система для сбора электромагнитного излучения, включает основной отражатель, имеющий вогнутую часть отражающей поверхности, причем эта вогнутая часть отражающей поверхности определяет оптическую ось и центр кривизны, лежащий на оптической оси, источник электромагнитного излучения, расположенный приблизительно на оптической оси, но смещенный по оси на первое расстояние от указанного центра кривизны вогнутой части поверхности в сторону вогнутой части поверхности, и объект, расположенный приблизительно на оптической оси, но смещенный по оси на второе расстояние от указанного центра кривизны вогнутой части поверхности в направлении от вогнутой части поверхности для получения практически сфокусированного изображения источника, отражаемого вогнутой частью поверхности, при этом система дополнительно включает вспомогательный отражатель, расположенный практически напротив вогнутой части отражающей поверхности основного отражателя по отношению к источнику, для отражения излучения, испускаемого источником, в обратном направлении сквозь источник в сторону вогнутой части отражающей поверхности основного отражателя, и корпус, внутренние поверхности стенок которого образуют основной отражатель и вспомогательный отражатель и который дополнительно снабжен крышкой и дном, прикрепляемыми к его стенкам и образующими герметичную конструкцию, которая может быть заполнена сжатым газом.

Изобретение далее поясняется описанием примеров выполнения с ссылкой на прилагаемые чертежи, где:
на фиг. 1 показано схематическое изображение известной из уровня техники системы с конденсорными линзами,
на фиг. 2 - схематическое изображение известной из уровня техники системы с эллиптическим отражателем, в которой источник помещен в первой фокальной точке, а объект размещен во второй фокальной точке воображаемого эллипса, контуры которого частично очерчены отражателем,
на фиг. 3 - схематическое изображение в плоскости Y-Z известной из уровня техники, "внеосевой" оптической системы на основе сферического отражателя,
на фиг. 4 - схематическое изображение в плоскости X-Z одного из вариантов выполнения настоящего изобретения, согласно которому основной и вспомогательный отражатели выполнены в виде отдельных элементов,
на фиг. 5 - схематическое изображение в плоскости Y-Z одного из вариантов выполнения настоящего изобретения, согласно которому основной и вспомогательный отражатели выполнены в виде отдельных элементов,
на фиг. 6 - схематическое изображение в плоскости X-Z другого варианта выполнения настоящего изобретения, согласно которому основной и вспомогательный отражатели выполнены в виде единого совмещенного отражателя внутри корпуса, в котором в области концентрации излучения предусмотрено плоское окно,
на фиг. 7 - схематическое изображение в плоскости X-Z другого варианта выполнения настоящего изобретения, согласно которому основной и вспомогательный отражатели выполнены в виде единого совмещенного отражателя внутри корпуса, в котором предусмотрено полусферическое окно.

В приведенном ниже описании конкретно указанные детали, например, конкретные числа, размеры, названия оптических компонентов и т.д., предназначены только для более подробного пояснения настоящего изобретения и не ограничивают его объем. Однако для специалиста в данной области техники очевидно, что в настоящее изобретение при его реализации на практике могут вноситься изменения, отличающиеся от этих конкретных деталей. С другой стороны, для упрощения описания настоящего изобретения в него не включены описания хорошо известных устройств и методов.

Согласно настоящему изобретению, как показано на фиг. 4-7, конденсорная и собирающая оптическая система состоит по меньшей мере из трех основных компонентов: оптического точечного источника электромагнитного излучения, отражателя и освещаемого объекта.

Оптический точечный источник S электромагнитного излучения в контексте настоящего описания представляет собой любой малогабаритный источник S электромагнитного излучения, угловая протяженность которого достаточно мала. Обычно линейная угловая протяженность такого источника S не превышают 0,1 радиан. Например, в качестве источника S можно использовать электродуговую лампу с дуговым разрядником примерно 1 мм, помещенную перед вогнутым отражателем на расстоянии около 5 см. Однако в предпочтительном варианте в качестве источника S используется малогабаритная ксеноновая дуговая лампа с длиной дугового разряда в один (1) мм, помещенная в стеклянную асферическую колбу. Однако можно использовать колбы, выполненные из других материалов, например, керамические, при этом единственным условием является возможность прохождения излучения от источника через колбу. Например, цилиндрическая колба с окнами на обоих торцах цилиндра обеспечивает возможность прохождения излучения от источника S. В общем случае можно использовать любой источник S электромагнитного излучения, размеры которого малы по сравнению с размерами освещаемого объекта, а в качестве примера можно назвать электродуговые лампы постоянного и переменного тока, газоразрядные лампы, лампы накаливания и светодиоды. Кроме того, излучение, испускаемое конкретным источником S, может быть импульсным, непрерывным, когерентным, некогерентным, монохроматическим, широкополосным или узкополосным.

Основной отражатель M₁ фокусирует электромагнитное излучение от источника S на освещаемом объекте I. Как показано на фиг. 4, основной отражатель M₁ образован вогнутой относительно источника S частью P отражающей поверхности. Согласно предпочтительному варианту вся поверхность основного отражателя M₁ образована частью P отражающей поверхности. Согласно фиг. 4 оптическая система по изобретению привязана к пространственной системе координат с ортогональными осями X, Y и Z таким образом, что центр кривизны вогнутой части P отражающей поверхности расположен в начале координат O, а ее оптическая ось совпадает с осью Z.

Хотя вогнутая часть P отражающей поверхности может иметь различные геометрические конфигурации, например, представлять собой части сферы, параболы, эллипса и т.д., согласно настоящему изобретению предпочтительно для части P отражающей поверхности использовать в основном тороидальную форму. Как показано на фиг. 4 и 5, тороидальная часть P отражающей поверхности в плоскости X-Z имеет первый радиус кривизны r₁ (на фиг. 4 центр кривизны тороидального отражателя M₁ в плоскости X-Z совпадает с началом координат O) и второй радиус кривизны r₂ в плоскости Y-Z (на фиг. 5 центр кривизны тороидального отражателя M₁ в плоскости Y-Z находится в точке C₂). Кроме того, оптическая ось тороидального отражателя M₁ совпадает с осью Z. Первый радиус r₁ выбирают таким образом, чтобы точка изображения сконцентрированного излучения находилась с противоположной по отношению к источнику стороны, в то время как второй радиус кривизны r₂ выбирают так, чтобы уменьшить оптические аберрации, возникновение которых обусловлено стеклянной колбой g источника, которая действует как линза.

Неравенство радиусов r₁ и r₂ обусловлено необходимостью совместить точки схождения лучей в плоскости Y-Z с лучами в плоскости X-Z таким образом, чтобы уменьшить отклонение между лучами, вызванное линзовым эффектом стеклянной колбы g источника. В случае использования источников с колбами, не вызывающими возникновение каких-либо оптических аберраций, либо в случае использования источников без колб первый радиус r₁ будет равен второму радиусу r₂, так что часть P основной отражающей поверхности будет иметь сферическую форму. Хотя во всех случаях можно использовать практически правильное сферическое зеркало, искривленная колба g, внутри которой размещено множество источников, таких, как дуговая лампа постоянного тока, неизбежно приводит к появлению эллиптических аберраций, для которых требуется оптическая компенсация.

В принципе, точная оптическая компенсация может быть выполнена только путем численного моделирования коррекций поверхности зеркала, необходимых для компенсации аберраций. В результате найденная форма поверхности может существенно отличаться от сферической. В применяемых на практике системах аберрации в плоскости Y-Z больше, чем в плоскости X-Z, что приводит к тому, что точки фокусировки лучей в каждой из двух плоскостей несколько смещены друг относительно друга. Приближенное, но применимое на практике решение состоит в использовании тороидальной поверхности с радиусом r₁ в плоскости X-Z, не равным радиусу r₂ в плоскости Y-Z, что обеспечивает частичную коррекцию и, следовательно, снижает оптические аберрации и иные дефекты. Путем соответствующего подбора второго радиуса r₂ тороидального отражателя изображение может быть получено с меньшими искажениями, при этом обеспечивается возможность наложения друг на друга точек изображения в обеих плоскостях и в результате достигается большая эффективность сбора излучения. В конечном итоге по сравнению со сферическим отражателем улучшаются конденсорные свойства системы, благодаря чему обеспечивается фокусировка большего количества света на малом объекте таком, как оптическое волокно.

Кроме того, для практических применений часть P тороидальной или сферической поверхности может быть подвергнута оптической доводке такой, как полировка и нанесение слоя отражающего материала (например, алюминирование) либо на первую поверхность раздела стекло-воздух, либо на вторую поверхность раздела материал корпуса-стекло.

Объект 1 представляет собой объект небольших размеров, который необходимо освещать электромагнитным излучением максимально возможной высокой плотности. Согласно предпочтительному варианту объект I представляет собой одиночное оптическое волокно f, диаметр которого составляет около 0,1 мм. Однако объект I может также представлять собой объект, выбранный из группы из одного или более оптических волокон f с торцем(ами) "c", на который(е) фокусируется излучение, отполированными под углом, перпендикулярным продольной оси торца(ев) "c" оптического(их) волокна(он) f, и выбранный из группы из одного или более оптических волокон f с торцем(ами) "c", на который(е) фокусируется излучение, отполированными под углом, отличающимся от нормали к продольной оси торца(ев) "c" оптического(их) волокна(он) f.

В известной из уровня техники оптической системе, представленной на фиг. 3, используется "внеосевой" сферический отражатель, как описано в вышеуказанном патенте США 4757431. В этой системе оптическая ось сферического зеркала M определяет ось Z системы координат с началом отсчета O, расположенным в центре кривизны этого зеркала M. Источник S размещен на оси Y и смещен на расстояние Y₀ от начала координат. Лучи, исходящие из источника S, отражаются зеркалом M и сходятся вблизи точки, расположенной на расстоянии Y₀ ниже оптической оси Z, образуя действительное изображение T источника S.

Однако "внеосевые" оптические системы обладают рядом недостатков, включая наличие астигматизма в параллельном смещению от оптической оси направлении, а также физические ограничения, накладываемые требованием минимизации расстояния Y₀ смещения от оси. В результате эффекта астигматизма возникает такое точечное изображение T, которое ни фокусируется должным образом, ни отображается с единичным увеличением на объект I. Кроме того, появление астигматизма ухудшает концентрирующую эффективность системы и, следовательно, снижает световой поток, фокусирующийся на объект 1. Необходимость уменьшения расстояния Y₀ смещения от оси между источником S и объектом I для минимизации астигматической дисторсии также накладывает ограничения на физические размеры источника S и объекта I, которые могут быть использованы в такой системе.

Напротив, система с размещением ее элементов на оптической оси согласно настоящему изобретению не имеет упомянутых выше недостатков благодаря тому, что отсутствует астигматизм, возникновение которого в обычной "внеосевой" системе обусловлено смещением от оси на расстояние Y₀. Следовательно, посредством системы по настоящему изобретению на объекте I в принципе можно получить практически полностью сфокусированное точечное изображение I с единичным увеличением. Кроме того, физические размеры системы по настоящему изобретению ограничены только размерами источника S, в то время как размеры источника S в свою очередь ограничены кривизной основного отражателя M₁.

Согласно настоящему изобретению, как показано на фиг. 4-7, система координат определена таким образом, что ее начало O расположено в центре кривизны вогнутого основного отражателя M₁, а ось Z совпадает с оптической осью отражателя M₁. Однако в предпочтительном варианте изобретения отражатель M₁ имеет практически тороидальную форму с первым радиусом кривизны r₁, причем первый центр кривизны по отношению к лучам в плоскости X-Z совпадает с началом отсчета O системы координат. Второй радиус кривизны r₂ по отношению к лучам в плоскости Y-Z определяет второй центр кривизны, расположенный в точке C₂. На фиг. 4 источник S размещен на оптической оси Z отражателя M₁ и смещен на первое расстояние Z_s от первого центра кривизны O. Положение точки S поэтому описывается координатами (0,0,Z_s), где Z_s > 0. Аналогично изображение I источника S формируется на оптической оси Z основного отражателя M₁ и удалено на второе расстояние Z_i от первого центра кривизны O. Соответственно, положение точки I описывается координатами (0,0,Z_i), где Z_i < 0. Значения Z_s и Z_i приблизительно связаны соотношением:
(1-Z_s/r₁)•(1-Z_i/r₁) = 1.

Как описано выше, в предпочтительном варианте настоящего изобретения в качестве источника S используют электродуговую лампу. Обычно такая лампа снабжена цилиндрической стеклянной колбой, обозначенной через g на фиг. 3, 4, 5 и 6. Первое расстояние Z_s (см. фиг. 4) предпочтительно выбирают таким образом, чтобы точка I, в которой формируется изображение, лежала именно вне стеклянной колбы g со стороны, противоположной основному отражателю M₁. Для такой конфигурации коэффициент увеличения точечного размера источника в точке I формирования изображения определяется выражением:
m=(1-Z_i/r₁)/(1-Z_s/r₁).

Следует отметить, что при Z_s > 0 и Z_i < 0 коэффициент m > 1. Числовая апертура (ЧА) основного отражателя M₁ относительно точки I формирования изображения будет равной числовой апертуре относительно точки расположения источника S, деленной на коэффициент увеличения m. Поскольку невозможно достичь единичного увеличения, то в этой системе минимизация значения коэффициента увеличения возможна до такой степени, до которой возможна минимизация Z_i и Z_s.

При практическом осуществлении настоящего изобретения было установлено, что возникновение оптических аберраций обусловлено самой колбой, в которую помещен источник, обычно асферической стеклянной колбой g, которая сама функционирует как линза. Степень оптических аберраций зависит как от формы поверхности стеклянной колбы, так и от степени ее отклонений от правильной формы. Полная компенсация может быть достигнута только путем численного подбора профиля основного отражателя M₁, что делает его форму сильно отличающейся от сферической. Однако компенсация оптических аберраций частично может быть достигнута за счет подбора вогнутого тороидального отражателя в качестве основной отражающей поверхности со вторым радиусом r₂, выбранным таким образом, чтобы скомпенсировать линзовый эффект колбы лампы. В соответствии с этим более предпочтителен тороидальный основной отражатель M₁ нежели сферический, так как последний вовсе не может обеспечить компенсацию оптических аберраций.

Настоящее изобретение отличается от описанного в патенте Франции 1383413, в котором положение источника S не совпадает с центром кривизны используемого сферического отражателя. Однако в предпочтительном варианте тороидальный основной отражатель M₁ частично компенсирует оптические аберрации, вызванные баллоном или колбой g лампы. Если колба отсутствует, либо источник S и отражатель помещены в общий баллон, то в альтернативном варианте выполнения используют сферический отражатель, так как в этом варианте первый и второй радиусы r₁ и r₂ тороидального отражателя равны.

Основная причина снижения фокусирующей эффективности согласно настоящему изобретению является следствием эффекта затенения, обусловленного самим источником S, вне зависимости от того, является ли он нитью накаливания, парой электродов либо представляет собой иной источник генерирования электромагнитного излучения. Несмотря на то, что настоящее изобретение позволяет получить лучшее по сравнению с известными из уровня техники системами изображение, оно менее эффективно для передачи излучения к объекту. Однако фокусирующую эффективность можно улучшить за счет применения вспомогательного отражателя M₂, размещаемого позади источника S напротив основного отражателя M₁. Центр кривизны вспомогательного отражателя M₂ должен находиться в точке S. Кроме того, вспомогательный отражатель M₂ должен иметь центральное отверстие h малого размера, лежащее на оптической оси основного отражателя M₁, где можно разместить объект I такой, как торец "c" волокна f таким образом, чтобы торец "c" волокна f, на который фокусируется изображение, располагался в точке I. Предпочтительно, чтобы вспомогательный отражатель M₂ имел практически сферическую отражающую поверхность, вогнутую относительно источника S. Тем не менее, отражающая поверхность вспомогательного отражателя M₂ может также иметь часть с практически тороидальной формой или асферической тороидальной формой. Кроме того, отражающая поверхность вспомогательного отражателя M₂ для регулирования потока излучения может быть подвергнута оптической обработке.

Согласно другому варианту выполнения настоящего изобретения, представленному на фиг. 6 и 7, система может быть также выполнена в виде корпуса 5, внутренние поверхности 8 стенок 7 которого образуют основной отражатель M₁ и вспомогательный отражатель M₂. В этом случае основной M₁ и вспомогательный M₂ отражатели (т. е. их отражающие поверхности) могут быть конструктивно объединены друг с другом с образованием единого отражателя 9, размещенного на внутренних поверхностях 8 корпуса 5. Корпус предпочтительно изготавливать из керамики, хотя возможно применение множества других материалов, включая стекло, пирекс (боросиликатное стекло), кварц и т.д. Кроме того, корпус 5 может также содержать дно и крышку, крепящиеся к сторонам 7 корпуса 5 с образованием герметичной камеры, которая может быть заполнена газом. В конкретном случае корпус 5 может быть заполнен сжатым ионизирующим газом и снабжен электродами дуговой лампы S, выбранными таким образом, чтобы максимизировать яркость и минимизировать угловой фактор при работе лампы.

Кроме того, в области E концентрации излучения корпуса 5 может быть предусмотрено окно W для обеспечения прохождения излучения из корпуса 5 наружу к торцу "c" оптического волокна f, на который фокусируется излучение. Соответственно, торец "c" волокна(он) f может непосредственно примыкать к окну W, либо располагаться на некотором расстоянии от окна W. Само окно W может иметь плоскую поверхность P, образованную практически прозрачным, не влияющим на изображение оптическим элементом, либо практически прозрачным, выполняющим оптическую функцию элементом (фиг. 6), или альтернативно этому может иметь плоскую поверхность P с прозрачным, не влияющим на изображение полусферическим окном J по центру точки I формирования изображения, расположенной внутри плоскости P (см. фиг. 7). Таким образом, окно W может быть соответствующим образом изготовлено путем оптической обработки для управления потоком излучения.

Предполагается, что описанное выше изобретение может быть реализовано с использованием других конкретных компановок и иных корпусов, не выходя за объем или основную идею изобретения. Поэтому очевидно, что изобретение не ограничено описанными выше иллюстративными деталями и определяется прилагаемой формулой изобретения.

Реферат

Конденсорная и собирающая система включает основной отражатель, источник электромагнитного излучения и объект. Вогнутая часть отражающей поверхности основного отражателя определяет оптическую ось и центр кривизны, лежащий на оптической оси. Источник и объект расположены на оптической оси, но смещены на соответственно первое и второе расстояния от указанного центра кривизны. Первое и второе расстояния приближенно связаны выражением
(1 - Z_s/r₁)•(1 - Zi/r₁) = 1,
где Z_s -первое расстояние,
Li - второе расстояние,
r₁ - радиус кривизны, соответствующий указанному центру кривизны.

Если вогнутая часть поверхности имеет тороидальную форму, то первый и второй радиусы кривизны имеют различную длину для уменьшения оптических аберраций, обусловленных колбой источника. Система может включать вспомогательный отражатель, расположенный напротив вогнутой части отражающей поверхности основного отражателя. Система может содержать корпус, внутренние поверхности стенок которого образуют основной и вспомогательный отражатели. Корпус может быть снабжен крышкой и дном, прикрепляемыми к его стенкам и образующими герметичную конструкцию, которая может быть заполнена сжатым газом. Обеспечивается улучшение собирающих свойств и уменьшение астигматических аберраций. 4 с. и 19 з.п. ф-лы, 7 ил.

Формула