KR20020012555A - Improved coupling of light from a small arc lamp to a larger target - Google Patents
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Abstract
광 가이드(8)는 큰 수치적 구경(numerical aperture)을 갖는 이미징 원(imaging source)(1)으로부터 나오는 가능한한 많은 광을 상대적으로 작은 수치적 구경을 지닌 광섬유 요소(7)로 커플링시키는데 사용된다. 테이퍼져 클래딩된 로드, 광섬유들의 테이퍼져 융합된 번들, 테이퍼진 중공형 반사 튜브, CPC 또는 네가티브 렌즈(negative lens)가 광 가이드로서 사용될 때 플럭스 밀도의 손실없이 광섬유 요소로 광의 효율적인 커플링을 제공한다. 그러한 시스템은 축-외 구형 반사기처럼 1:1 이미지를 생성시키는 것과 간은 높은 수치적 구경으로 매우 작은 이미지 점 크기를 생성시키는 이미징 원과 함께 사용될 때 특히 이롭다.The light guide 8 is used to couple as much light as possible from the imaging source 1 with a large numerical aperture into an optical fiber element 7 with a relatively small numerical aperture. do. Tapered cladded rods, tapered fused bundles of optical fibers, tapered hollow reflective tubes, CPCs or negative lenses when used as light guides provide efficient coupling of light to optical fiber elements without loss of flux density. . Such a system is particularly beneficial when used with an imaging circle that produces a 1: 1 image like an off-axis spherical reflector and the liver produces very small image point sizes with high numerical aperture.
Description
점원에 가까운 산란 광원으로부터 나오는 전자기 방사를 더 효율적으로 수집 및 집광시키기 위한 시스템을 개발하는 것이 광섬유 기술 분야에서 오랜 목적이었다. 종래의 시스템들은 종래 산란 광원으로부터 발생되는 방사를 방사 플럭스의 동반된 감소없이 작은 스폿 크기로 향하도록 시도되었다.It has long been a goal in the field of fiber optic technology to develop a system for more efficiently collecting and concentrating electromagnetic radiation from scattered light sources close to point sources. Conventional systems have attempted to direct radiation generated from conventional scattering light sources to a small spot size without the accompanying decrease in radiation flux.
일반적으로, 그러한 시스템들의 개발시 두 가지 방법이 행하여졌다. 첫번째는 광원과 타겟사이에 집광 렌즈의 사용을 필요로다. 일반적으로 그러한 집광 렌즈들은 상대적으로 비싸며, 공간 낭비적이며, 근본적으로 정렬시키기 어렵고, 색 수차 및 구면 수차를 발생시킨다는 점에서 몇가지 결함을 갖고 있다. 다른 일반적인 방법은 타원체 반사 미러의 사용이다. 이들 반사 시스템들은 또한 매우 비싸며, 그것들은 본래의 이미지 배율이 타겟의 플럭스 밀도의 감소를 초래하게 하는 근본적인 결함을 갖고 있다.In general, two methods have been taken in the development of such systems. The first requires the use of a condenser lens between the light source and the target. Such condensing lenses generally have some drawbacks in that they are relatively expensive, space-wasting, fundamentally difficult to align, and cause chromatic and spherical aberrations. Another common method is the use of ellipsoidal reflecting mirrors. These reflection systems are also very expensive and they have a fundamental flaw that causes the original image magnification to cause a reduction in the flux density of the target.
가장 일반적인 종래의 시스템은 도 5에 도시된 것처럼 렌즈와 함께 사용되는파라볼라 반사기을 필요로한다. 파라볼라 반사기(9)는 알루미늄 또는 은으로 코팅된 표면을 지닌 램프(1)의 하우징을 형성한다. 가스는 윈도우를 사용하여 하우징에 밀봉되어 있다. 아크(arc) 램프는 출력빔이 평행한 광선으로 이루어지도록 야기시키는 파라볼라의 초점에 위치된다. 알루미늄 또는 은의 반사 코팅은 UV로부터 가시광선을 거쳐 적외선의 방사를 반사시킨다. 결국, 의료 조명같은 활용을 위해, 불필요한 UV 및 적외선 방사를 여과시키는 가시광선 필터가 필요하다. 일반적으로, 전송 필터는 예리한 컷오프의 파장으로 이루어질 수 없도록 사용된다. 따라서 결과적인 출력은 소정양 이상의 UV 및 적외선 방사로 이루어진다. 반사 필터가 사용될 때, 램프와 집중 렌즈간의 거리는 필터를 수용하도록 증가되어야 한다. 이는 시스템의 커플링 효율을 감소시킨다. 광을 광섬유 번들(bundle)과 같은 출력 장치(7)에 커플링시키기 위해서, 집중 렌즈(10)는 평행한 빔을 작은 스폿(spot)으로 재향하도록 사용된다. 렌즈로부터의 출력 수치적 구경은 광섬유 번들의 수치적 구경과 일치하여 가능한 최대의 커플링 효율을 달성한다. 파라볼라와 집중 렌즈의 결합의 고유 특성으로 인해, 번들상의 아크의 배율은 전체 구경에 걸쳐 일정하지 않다. 결국, 출력 스폿 크기는 그 자체 아크 램프보다 항상 더 크다. 이러한 메카니즘은 초점 지점에서 가능한 최대 밝기 또는 플럭스 강도의 감소를 초래한다. 집중 렌즈에 의해 발생된 수차들과 함께, 그러한 시스템들은 아크 갭보다 상당히 더 큰 스폿 크기와, 비-균일한 분포의 출력을 생성시킨다.The most common conventional system requires a Parabola reflector to be used with the lens as shown in FIG. The parabola reflector 9 forms the housing of the lamp 1 with a surface coated with aluminum or silver. The gas is sealed to the housing using a window. An arc lamp is located at the focal point of the parabola causing the output beam to consist of parallel rays of light. Reflective coatings of aluminum or silver reflect infrared radiation from UV through visible light. After all, for applications such as medical lighting, there is a need for visible light filters that filter out unwanted UV and infrared radiation. In general, transmission filters are used such that they cannot be made with a wavelength of sharp cutoff. The resulting output therefore consists of more than a predetermined amount of UV and infrared radiation. When a reflective filter is used, the distance between the lamp and the focusing lens must be increased to accommodate the filter. This reduces the coupling efficiency of the system. In order to couple the light to an output device 7, such as an optical fiber bundle, the focusing lens 10 is used to redirect the parallel beam into small spots. The output numerical aperture from the lens coincides with the numerical aperture of the fiber optic bundle to achieve the maximum possible coupling efficiency. Due to the inherent nature of the combination of the parabola and the concentrating lens, the magnification of the arc on the bundle is not constant over the entire aperture. After all, the output spot size is always larger than the arc lamp itself. This mechanism results in a reduction in the maximum possible brightness or flux intensity at the focal point. Together with the aberrations generated by the focusing lens, such systems produce a spot size that is significantly larger than the arc gap and an output of non-uniform distribution.
도 6은 아크 램프로부터 광섬유 번들로 출력을 집중시키기 위한 다른 일반적인 구성을 도시하고 있다. 이 경우에, 아크 램프는 타원체의 주축을 따라 위치된전극과 함께 타원체 반사기(3)의 하나의 초점에 위치되어 있다. 출력 광섬유(7)는 주축을 따라 다른 초점에 위치된 타겟(6)에 위치되어 있다. 타원체 표면의 크기와 2개 초점간의 거리는 출력빔의 수치적 개구를 결정한다. 하나의 초점에서 다른 초점으로 가는 광의 다양한 초점으로 인해, 배율은 모든 광선에 대해 일정하지 않다. 결국, 다른 초점에서의 출력 스폿 크기는 일반적으로 그 자체의 아크보다 몇 배 더 크다. 이러한 고유의 배율 이득은 아크의 밝기를 감소시킨다.6 shows another general configuration for concentrating the output from an arc lamp to an optical fiber bundle. In this case, the arc lamp is located at one focal point of the ellipsoid reflector 3 with the electrode located along the main axis of the ellipsoid. The output optical fiber 7 is located at a target 6 located at another focal point along the main axis. The size of the ellipsoid surface and the distance between the two foci determines the numerical aperture of the output beam. Due to the varying focus of the light from one focus to the other, the magnification is not constant for all rays. After all, the output spot size at other focal points is usually several times larger than the arc itself. This inherent magnification gain reduces the brightness of the arc.
크로스(Cross) 등의 미국 특허 제 4,757,431 호는, 이전의 타원체 반사 시스템들보다 타겟 지점에서의 플럭스 밀도의 양을 향상시키기 위해 축-외 구형 오목 반사 시스템을 이용하는 수집 및 집광 시스템을 기술하며, 그 설명이 참조로 본문에 채용되어 있다. 그러한 시스템의 배치가 도 7에 도시되어 있다. 이러한 시스템은, 타겟 지점에서 그 고유의 1:1 이미지 배율로부터 도출된 플럭스 밀도를 증가시키지만, 타겟(6)과 아크 램프(1)간의 선형 축-외 거리와 함께 그 플럭스 집중 효율성이 감소되는 결점을 갖고 있다. 축-외 변위를 최소화시킴으로써 그러한 플럭스 손실을 제한하기 위한 노력은 조명원 및 타겟 또는 광섬유 출력 장치(7)의 물리적 크기 및 형태에 의해 제약된다. 베이커(Baker) 등의 미국 특허 제 5,430,634 호는, 오목 둥근(toroidal) 반사기가 오목 구형 반사기(4)의 위치에 사용되는 미국 특허 제 4,757,431 호에 개시된 축-외 반사 시스템의 변형을 기술하며, 그 설명이 또한 본문에 참조로 채용되어 있다.Cross et al., US Pat. No. 4,757,431, describes a collection and collection system using an off-axis spherical concave reflection system to improve the amount of flux density at the target point over previous ellipsoidal reflection systems. The description is adopted in the text by reference. The deployment of such a system is shown in FIG. This system increases the flux density derived from its inherent 1: 1 image magnification at the target point, but with the drawback that its flux concentration efficiency decreases with the linear off-axis distance between the target 6 and the arc ramp 1. Have Efforts to limit such flux losses by minimizing off-axis displacement are constrained by the physical size and shape of the illumination source and target or optical fiber output device 7. US Pat. No. 5,430,634 to Baker et al. Describes a variant of the off-axis reflecting system disclosed in US Pat. No. 4,757,431 in which a concave toroidal reflector is used at the position of the concave spherical reflector 4, The description is also incorporated herein by reference.
일반적으로, 테이퍼진 로드와 콘(cone)들은 큰 직경의 원(source)으로부터 광의 수집을 최대화하고 수집된 광을 더 작은 스폿 크기와 더 큰 수치적 구경으로변형시키기 위해 내시경의입력 광 포스트에 채용된다. 일반적으로 이러한 구성들은 공간적으로 그리고 각도적으로 모두 변형을 최적화하기에는 콘 길이가 너무 짧기 때문에 매우 비효율적이다. 헴라르(Hemlar) 등의 미국 특허 제 5,729,643 호는 광을 더 작은 스폿 크기로 집중시키기 위해서 더 작은 출력 직경으로 테이퍼시키는 입력 코어 직경을 갖는 테이퍼진 광섬유의 사용을 기술한다.In general, tapered rods and cones are employed in the endoscope's input light post to maximize the collection of light from large diameter sources and transform the collected light into smaller spot sizes and larger numerical apertures. do. In general, these configurations are very inefficient because the cone length is too short to optimize the deformation both spatially and angularly. U.S. Patent No. 5,729,643 to Hemlar et al. Describes the use of tapered optical fibers with input core diameters that taper to smaller output diameters in order to focus light into smaller spot sizes.
엔더슨(Anderson)의 미국 특허 제 5,680,257 호에 의해 기술된 것처럼, 각 상이(angular divergence)를 증가시켜 작은 스폿 크기로 광을 집광시키기 위해서 렌즈들과 원추형 집속기(integrator)들 그리고 반사기들을 사용하는 빔 집속 광학은 당 기술에 공지되어 있다. 그러나, 이러한 기존의 모든 시스템들은 필연적으로 광의 수치적 구경의 증가를 야기시킨다. 따라서, 그러한 시스템들은 광을 광섬유에 커플링시키려고 사용될 때 비효율적이다.As described by U.S. Patent No. 5,680,257 to Anderson, a beam using lenses, integrators and reflectors to increase angular divergence to focus light at small spot sizes Focusing optics are known in the art. However, all these existing systems inevitably lead to an increase in the numerical aperture of the light. Thus, such systems are inefficient when used to couple light to optical fibers.
스폿 크기를 감소시키기 위해서 노력중 광의 수치적 구경, 또는 분기의 결과적인 증가는 대부분의 수집된 광이 이미지 지점에 위치된 출력 광섬유의 수치적 구경을 초과하도록 야기한다. 그래서, 이미지 지점에서 입사광의 상당한 부분은 광섬유에 의해 전송될 수 없다. 광 수집 및 집광 시스템으로부터 광을 커플링시 개선시키기 위한 필요성이 당 기술에 잔존한다.The numerical aperture of the light, or the resulting increase in branching, in an effort to reduce the spot size causes most of the collected light to exceed the numerical aperture of the output fiber located at the image point. Thus, a significant portion of the incident light at the image point cannot be transmitted by the optical fiber. There remains a need in the art to improve in coupling light from a light collection and collection system.
발명의 개요Summary of the Invention
본 발명의 분야에 있어서, 아크램프(1)로부터의 산란광은 단일 섬유 또는 섬유 번들의 단부와 같은 타겟(6) 위로 이미지 되도록 요구되는 것이 일반적이다. 집광 및 수집 시스템들로부터 광섬유로의 광의 커플링은 반사기 또는 집광렌즈의 수치적 구경과 광섬유 타겟의 수치적 구경이 같을 때 최적화된다. 일반적으로, 섬유로부터의 광의 출력의 수치적 구경은 섬유 또는 반사기/렌즈 시스템의 그것과 동일하게 될 것이지만, 어느 한쪽은 더 작다. 이것은 광섬유 내에 완전히 포함될 수 있는 광빔의 가장 높은 전파각을 나타내는 고유의 수치적 구경을 광섬유가 지니기 때문이다. 광섬유를 통과한 광이 섬유의 수치적 구경을 초과하는 경우에는 광의 손실이 초래될 것이다. 이 같은 사실은 광섬유가 굽혀질 때 매우 중요하게 되는바, 이것은 전형적으로 섬유의 유효 수치적 구경에서 국부적인 감소를 일으킬 것이다. 따라서, 섬유의 수치적 구경보다 작은 수치적 구경을 갖는 광섬유를 통과하는 높은 플럭스 밀도의 광을 지니는 것이 바람직하다.In the field of the present invention, the scattered light from the arclamp 1 is generally required to be imaged onto the target 6, such as the end of a single fiber or fiber bundle. The coupling of light from the collecting and collecting systems to the optical fiber is optimized when the numerical aperture of the reflector or condenser lens is equal to the numerical aperture of the optical fiber target. In general, the numerical aperture of the output of light from the fiber will be the same as that of the fiber or reflector / lens system, but either side is smaller. This is because the optical fiber has a unique numerical aperture representing the highest propagation angle of the light beam that can be fully contained within the optical fiber. Loss of light will result if the light passing through the optical fiber exceeds the numerical aperture of the fiber. This fact becomes very important when the optical fiber is bent, which will typically cause a local decrease in the effective numerical aperture of the fiber. Therefore, it is desirable to have a high flux density of light that passes through an optical fiber with a numerical aperture smaller than the numerical aperture of the fiber.
한편, 아크램프로부터 타겟 스폿으로의 최대량의 광 플럭스의 방향을 재조정하기 위해, 수치적 구경을 가능한한 크게 한 주거울(primary mirror)의 사용이 요구된다. 거울/렌즈로부터의 높은 수치적 구경의 광은 타겟 스폿에서 광섬유 또는 광섬유 번들의 구경보다 크게 되는 것이 일반적일 것이다. 전술된 바와 같은 전달한계 때문이라는 것은, 타겟에 이르는 광의 대부분이 출력섬유에 의해 전달되지 않고 손실될 것임을 의미하는 것이다.On the other hand, in order to redirect the maximum amount of light flux from the arc lamp to the target spot, the use of a primary mirror with the numerical aperture as large as possible is required. High numerical aperture light from the mirror / lens will typically be greater than the aperture of the optical fiber or fiber bundle at the target spot. Due to the transfer limits as described above, it means that most of the light reaching the target will be lost without being transmitted by the output fiber.
본 발명은 더 큰 직경의 타겟 내로 광을 커플링시키기 위한 종래 기술을 개선시킨다. 본 발명은, 어떤 집광 및 수집 시스템으로부터의 램프로부터 수집된 광이 직경 및 수치적 구경으로 일치된 더 큰 직경의 단일 섬유 또는 섬유번들의 입력단에 효과적인 커플링을 위한 더 작은 수치적 구경 및 더 큰 스폿 사이즈를 지니는 출력부로 전달 될 수 있도록 중간의 광학 변환 장치 내로 큰 수치적 구경의 광을커플링시키기 위한 메카니즘을 제공한다. 최종적 결과는 동일 타겟에 광을 커플링하는 종래의 시스템에 비해 더 높은 효율 및 출력을 제공한다.The present invention improves upon the prior art for coupling light into larger diameter targets. The present invention provides a smaller numerical aperture and larger for effective coupling to the input of a larger diameter single fiber or fiber bundle where light collected from a lamp from any condensing and collection system is matched in diameter and numerical aperture. It provides a mechanism for coupling large numerical aperture light into an intermediate optical transducer so that it can be delivered to an output with spot size. The end result provides higher efficiency and power compared to conventional systems that couple light to the same target.
테이퍼진 로드(rods) 및 콘(cones)은 큰 직경의 광원으로부터의 광의 수집을 최대화하고 수집된 광을 더 작은 스폿 사이즈 및 더 큰 수치적 직경으로 변형시키기 위해 내시경의 입력 광 포스트에 합체되는 것이 통상적이다. 전형적으로 이 같은 형상들은, 콘의 길이가 공간적으로 또한 각도적으로의 변형을 모두 최적화하기 위해 너무 짧게 되기 때문에 매우 비효율적이다.Tapered rods and cones are incorporated in the endoscope's input light post to maximize the collection of light from the large diameter light source and transform the collected light into smaller spot sizes and larger numerical diameters. It is common. Typically such shapes are very inefficient because the length of the cone becomes too short to optimize both spatially and angular deformation.
또한 반사성 내표면을 갖는 테이퍼진 중공형 튜브들이, 광을 광원으로부터 작은 스폿 사이즈로 집중시키는데 통상적으로 사용된다. 그 같은 중공의 테이퍼형 튜브들은, 그들이 양 단부에서 구경을 지니며 그 중 하나의 구경이 다른 것보다 크게 되는 깔때기와 같은 역할을 한다. 튜브는 더 큰 직경에서 광을 취하여 그 광을 원추형 표면 내부에서 반사시켜 그 광이 더 작은 구경에서 떠날 때 작은 스폿 사이즈 및 더 큰 발산으로 스무드하게 집광시킨다. 이 같은 형태의 광학장치들은 LCD프로젝터, DMD프로젝터 등에 합체되는 것이 통상적이다.Tapered hollow tubes with reflective inner surfaces are also commonly used to focus light from the light source to small spot sizes. Such hollow tapered tubes act like a funnel in which they have apertures at both ends and one aperture of which is larger than the other. The tube takes light at a larger diameter and reflects the light inside the conical surface to smoothly condense at a smaller spot size and larger divergence when the light leaves at a smaller aperture. Optical devices of this type are commonly incorporated into LCD projectors, DMD projectors, and the like.
본 발명에 대한 특정 적용성을 갖는 광 가이드의 또 다른 형식은 복합 파라볼라 집광기 즉, "CPC"로 알려진 테이퍼진 중공형 튜브의 특정형태로 된다. CPC는 테이퍼진 중공 튜브와 같지만, 그들의 내측의 반사표면들은 파라볼라형 또는 만곡형으로 된다. 그 같은 파라볼라형 표면들은 일정거리의 대형광원으로부터 작은 스폿 사이즈까지 방출된 집광으로 유효하게 되는 것으로 발견되고 있다. 그러므로, CPC는 전기를 발생시키거나 가열을 위해 태양광을 수집할 때 공통적으로 적용되는것으로 나타났다. 그 같은 적용에 있어서, CPC의 입력단은 출력단보다 큰 단면적을 지니며, 출력단으로부터 방출된 광은 더 큰 수치적 구경을 지닌다. 선택적으로, 렌즈는 광 가이드로 채용될 수 있다. 미국특허 제 5,680,257호에 개시된 바와 같이, 렌즈들은 광을 작은 타겟 스폿으로 집중시키도록 채용되는 것이 일반적이다. 또한, 그 같은 사용은 필수적으로 광의 증가된 NA, 또는 발산을 결과로 한다.Another form of light guide with particular applicability to the present invention is a specific form of a composite parabola concentrator, ie a tapered hollow tube known as "CPC". CPCs are like tapered hollow tubes, but their inner reflective surfaces are parabolic or curved. Such parabolic surfaces have been found to be effective in condensing emitted from large light sources over short distances to small spot sizes. Therefore, CPC has been found to be common when generating electricity or collecting sunlight for heating. In such applications, the input end of the CPC has a larger cross-sectional area than the output end, and the light emitted from the output end has a larger numerical aperture. Optionally, the lens can be employed as the light guide. As disclosed in US Pat. No. 5,680,257, lenses are typically employed to focus light onto a small target spot. In addition, such use necessarily results in increased NA, or divergence of light.
시스템의 이미지포인트에 배치된 단일의 테이퍼진 피복 로드 또는 콘, 테이퍼지고 융합된 광섬유 번들, 반사형의 테이퍼진 중공 튜브, 복합형의 파라볼라 집광기, 네가티브 렌즈 또는 그것의 복합체 형태의 광 가이드는 최종 광섬유 타겟을 통한 광의 전달을 최대화 할 수 있다. 본 발명은, 광 가이드를 종래의 장치들의 전형적인 사용방식과는 반대 방식으로 이용함으로써 그 같은 종래 장치들의 사용을 광 가이드로 하여금 행하게 할 수 있다. 전술된 장치들이 배치됨으로써, 전술된 종래기술의 시스템들 중 어떤 것으로부터와 같이 광학적 수집 시스템으로부터 조절된 입사광은 스폿사이즈가 증가되며, 또한 궁극적으로 수집된 광의 양을 최대화하고 섬유광학장치를 통해 전달될 수 있도록 분산각이 감소된다.A single tapered sheathed rod or cone placed at the image point of the system, a tapered and fused fiber bundle, a reflective tapered hollow tube, a complex parabolic condenser, a negative lens, or a composite thereof, the optical guide is a final optical fiber. The transmission of light through the target can be maximized. The present invention allows the light guide to make use of such conventional devices by using the light guide in a manner opposite to the typical use of the conventional devices. By the arrangement of the devices described above, the incident light adjusted from the optical collection system, such as from any of the prior art systems described above, increases the spot size and ultimately maximizes the amount of collected light and transmits it through the fiber optics. The angle of dispersion is reduced so that it can be.
본 발명은 전자기 방사를 수집 및 집광시키고 그 방사를 타겟으로 커플링시키기 위한 시스템의 분야에 관한 것이다.The present invention relates to the field of systems for collecting and concentrating electromagnetic radiation and for coupling the radiation to a target.
도1은 주 수집기로서 축외(off-axis)의 둥근(toroidal) 오목 반사기를 사용하는 본 발명의 하나의 실시예의 개략도.1 is a schematic diagram of one embodiment of the present invention using an off-axis toroidal concave reflector as the main collector;
도2는 주 수집기로서 축외의 타원 오목 반사기를 사용하는 본 발명의 하나의 실시예의 개략도.Figure 2 is a schematic diagram of one embodiment of the present invention using an off-axis elliptical concave reflector as the main collector.
도3은 주 수집기로서 축상(on-axis) 연장 타원 오목 반사기를 사용하는 본발명의 하나의 실시예의 개략도.Figure 3 is a schematic diagram of one embodiment of the present invention using an on-axis extending elliptical concave reflector as the main collector.
도4는 광 가이드로 사용되는 네가티브 렌즈를 보여주는 본 발명의 하나의 실시예의 개략도.4 is a schematic diagram of one embodiment of the present invention showing a negative lens used as a light guide;
도5는 파라볼라 오목 반사기 및 집중렌즈를 이용하는 종래의 집광기 및 수집기 시스템의 개략도.5 is a schematic diagram of a conventional collector and collector system utilizing a parabola concave reflector and a focusing lens.
도6은 타원형 오목 반사기를 사용하는 종래의 집광기 및 수집기 시스템의 개략도.6 is a schematic diagram of a conventional collector and collector system using an elliptical concave reflector.
도7은 축외 관계로 배치된 광원 및 타겟을 갖는 둥근 오목 반사기를 사용하는 종래의 집광기 및 수집기 시스템의 개략도.Figure 7 is a schematic diagram of a conventional collector and collector system using a rounded concave reflector having a light source and a target disposed in an off-axis relationship.
일반적으로 본 발명의 실시예들은 도면들에 도시된 바와 같이 짧은 아크램프(1)로 구성된다. 적합한 아크램프들은 약 8mm까지의 아크 갭을 형성하는 램프들을 포함하는 바, 이 같은 램프들은 크세논(Xenon), 머큐리(Mercury), 머큐리-크세논, 및 100내지 500와트의 전력 범위의 AC 금속 할라이드를 포함하지만 이들로 한정되지는 않는다. 수용가능한 결과들이 1㎜, 1.5㎜, 2㎜, 3㎜ 및 6㎜까지의 아크 갭과 100 및 500 와트 크세논 및 250 및 270 와트 금속 할라이드 아크램프들을 사용하면 달성될 수 있는 것으로 실험상 나타났다.Generally embodiments of the invention consist of a short arc lamp 1 as shown in the figures. Suitable arclamps include lamps that form an arc gap of up to about 8 mm, which include Xenon, Mercury, Mercury-xenon, and AC metal halides in the power range of 100 to 500 watts. Including but not limited to. Acceptable results have been experimentally shown that can be achieved using arc gaps up to 1 mm, 1.5 mm, 2 mm, 3 mm and 6 mm and 100 and 500 watt xenon and 250 and 270 watt metal halide arc lamps.
아크램프(1)는 어떠한 공지된 주 수집 시스템에 관련하여 사용된다. 도2는, 축외 타원형 오목 반사기(2)가 주 수집기로 사용되는 본 발명의 하나의 실시예를 보여준다. 도3은 축상 타원형 오목 반사기(3)가 주 수집기로 사용되는 본 발명의하나의 실시예를 보여준다.The arc lamp 1 is used in connection with any known main collection system. Figure 2 shows one embodiment of the invention in which the off-axis elliptical concave reflector 2 is used as the main collector. Figure 3 shows one embodiment of the invention in which the axial elliptical concave reflector 3 is used as the main collector.
도1은 축외의 구형 오목 반사기(4)가 주 수집기로 사용되는 본 발명의 하나의 실시예를 예시한다. 상기 실시예들중 어느 것에 있어서, 역 반사기(5)가 도1,2 및 3에 각각 도시된 바와 같이 주 수집기(2,3 또는 4)에 대해 광 플럭스를 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 주 수집기 및 역 반사기(5)가 주변이 유전성 재료, 알루미늄 또는 은으로 선택적으로 피복될 수 있는바, 그 주변이라 함은 광의 특정 파장이 수집되길 요구되는 곳이나 또는 광대역의 전자기 방사가 요구되는 곳을 의미한다. 예컨대, 방사는 가시광으로 조사할 목적으로 사용되는 곳에서, 거울은, 가시광만을 반사시키고 UV 및 IR 방사를 거부하는 다중층 유전 코딩으로 피복될 수 있다. 출력은, 6000K의 칼라온도를 갖는 크세논 램프와 같은 광원에 의존하는 칼라온도만을 지니는 가시광으로 될 것이다. 그 같은 광의 출력은 수술 조명과 같은 가시응용용으로 특히 적합하다.Figure 1 illustrates one embodiment of the invention in which an off-axis spherical concave reflector 4 is used as the main collector. In any of the above embodiments, the reverse reflector 5 can be used to increase the light flux with respect to the main collector 2, 3 or 4 as shown in FIGS. 1, 2 and 3, respectively. The main collector and back reflector 5 may be optionally covered by dielectric material, aluminum or silver, the periphery being where a particular wavelength of light is required to be collected or where broadband electromagnetic radiation is required. Means. For example, where radiation is used for the purpose of irradiating with visible light, the mirror may be covered with multilayer dielectric coding that reflects only visible light and rejects UV and IR radiation. The output will be visible light having only a color temperature dependent on a light source such as a xenon lamp with a color temperature of 6000K. Such light output is particularly suitable for visual applications such as surgical lighting.
램프(1)로부터의 광은 주 반사기(2,3 또는 4)에 의해 타겟 스폿(6)으로 향한다. 도 5,6 및 7에 도시된 종래의 시스템들에 있어서, 광 전달 출력 장치(7)가 타겟 스폿(6)에 배치된다. 본 발명에 있어서, 수집된 광의 스폿 사이즈 및 수치적 구경을 전달하기 위한 장치(8), 즉, "광 가이드"는 출력장치(7)의 스폿 사이즈 및 수치적 구경에 합치되는 것들에 광을 전달하도록 타겟 스폿에 배치된다. 예컨대, 도1과 7은, 수집된 광을 광섬유(7)를 통해 더 효과적으로 입력되어 전달되게 할 수 있어 결국 광섬유(7)의 말단부에서 유효광의 양을 증가시키는 광 가이드(6)에 의해 구별된다.Light from the lamp 1 is directed to the target spot 6 by the main reflector 2, 3 or 4. In the conventional systems shown in FIGS. 5, 6 and 7, the light transmission output device 7 is arranged in the target spot 6. In the present invention, the device 8 for delivering the spot size and numerical aperture of the collected light, i.e., the "light guide", transmits light to those that match the spot size and numerical aperture of the output device 7. To the target spot. For example, FIGS. 1 and 7 are distinguished by a light guide 6 that allows the collected light to be input and transmitted more effectively through the optical fiber 7, thus increasing the amount of effective light at the ends of the optical fiber 7. .
다른 광학 장치들은 본 발명의 실시예들에서 광가이드(8)로서 적합하게 역할할 수 있다.Other optical devices may suitably serve as the light guide 8 in embodiments of the present invention.
본 발명에서 변형 장치(8)로서 테이퍼진 피복된 로드를 사용함으로써 광의 분산각의 최적의 변형을 제공한다. 역으로 공간 분산은, 피복된 로드로부터의 출력이 전형적으로 균일하지 않으며 집광링들로 구성되기 때문에 최적화되지 않는다. 그러나, 최종 출력장치(7)가 불규칙한 광섬유 번들이라면, 광은 광섬유 번들의 출력부에서 뒤섞이며, 또한 공간적인 프로파일의 비균일한 입력부를 갖는 음성적 결과는 존재하지 않는다. 선택적으로 테이퍼진 융합 번들의 광 가이드로 사용될 수 있지만, 테이퍼진 융합 번들은 테이퍼진 로드로서 유리의 동일 길이에 대해 최종 타겟에 대한 광의 전달면에서 덜 효과적이다. 그러나, 테이퍼진 융합 번들로부터의 출력은 공간적으로 무질서화되고 더 균일하다. 그러므로, 변형장치(8), 즉, 광 가이드로 작용하는 테이퍼진 융합 번들로부터의 광은, 단일 광으로부터 균일한 출격을 생산하도록 더 큰 직경의 단일 광으로 더 쉽게 커플링된다. 더 짧은 융합된 번들 테이퍼가 사용되면 전체적인 전달 손실이 최소화 될 수 있다. 융합된 번들 테이퍼는, 전형적으로 융합된 번들 테이퍼의 각각의 광섬유들의 80미크론 미만의 작은 직경이 각각의 광섬유의 약 30미크론 직경 내에서 각도 및 공간적 프로파일을 변형시키기 때문에 더 짧은 길이에 대해 더 우수한 공간적 균일성을 제공한다.The use of tapered coated rods as the deforming device 8 in the present invention provides the optimum deformation of the angle of dispersion of light. Conversely, spatial dispersion is not optimized because the output from the coated rod is typically not uniform and consists of condensing rings. However, if the final output device 7 is an irregular optical fiber bundle, the light is scrambled at the output of the optical fiber bundle and there is no negative result with a non-uniform input of spatial profile. Although optionally used as a light guide for the tapered fusion bundle, the tapered fusion bundle is less effective in terms of transmitting light to the final target for the same length of glass as the tapered rod. However, the output from the tapered fusion bundle is spatially disordered and more uniform. Therefore, the light from the deformer 8, ie, the tapered fusion bundle acting as a light guide, is more easily coupled into a single diameter of larger diameter to produce a uniform outgoing from a single light. If shorter fused bundle tapers are used, the overall transfer loss can be minimized. Fused bundle tapers typically have better spatial for shorter lengths because smaller diameters of less than 80 microns of each of the optical fibers of the fused bundle taper deform angular and spatial profiles within about 30 microns in diameter of each optical fiber. Provide uniformity.
테이퍼진 중공형 반사 튜브, 또는 CPC는 본 발명의 실시예들에서 광 가이드로 사용될 수 있다. 튜브 또는 CPC의 더 작은 구경은, 광이 출력장치와 거의 같은 출력직경 및 NA로 변형 될 수 있도록 타겟에 배치될 것이다.Tapered hollow reflective tubes, or CPCs, can be used as light guides in embodiments of the present invention. The smaller aperture of the tube or CPC will be placed on the target so that the light can be transformed to an output diameter and NA that is about the same as the output device.
이 같은 종류의 광 가이드들은, 광이 어떠한 파장들만을 반사시키도록 다중층의 유전성 코팅과 같은 것으로 피복될 수 있다. 피복된 테이퍼진 중공 반사 튜브 또는 피복된 CPC는, 사용된 수집 및 집광 시스템이 이 같은 성능을 지니지 않는다면 원치 않는 광을 여과할 능력을 사용자에게 제공할 것이다. 테이퍼진 중공형 반사 튜브 및 CPC로부터의 출력은 비균일성 공간적 프로파일을 지니는 것이 정상적이다.Light guides of this kind can be coated with a layer of dielectric coating such that the light reflects only certain wavelengths. Coated tapered hollow reflective tubes or coated CPCs will provide the user with the ability to filter out unwanted light if the collection and collection system used does not have this capability. It is normal for the tapered hollow reflective tube and the output from the CPC to have a non-uniform spatial profile.
본 발명의 광 가이드의 또 다른 실시예가 도4에 예시되어 있다. 네가티브 렌즈(11)는 광 가이드로 사용될 때, 광선들의 타겟 스폿 표면의 법선에 대해 더 편향되도록 출력 장치(7)에 대해 광선(r5, r6)의 방향을 조절한다. 바람직한 실시예에 있어서, 선도에서 평탄한 표면을 갖는 렌즈가 사용된다. 이 같은 편향은 더 작은 NA 및 더 큰 스폿 사이즈 때문에 더 효과적인 커플링을 결과로 한다. 테이퍼진 피복된 로드 및 테이퍼진 융합 번들과 같이 광 가이드로 사용된 네가티브 렌즈들은 원치 않는 광 파장의 필터로 작용할 수 있다. 광 가이드로서 렌즈를 사용하면, 가이드로부터 방사되는 광은 공간적으로 불균일하게 될 것이며 또한 구형 수차(aberration)를 포함할 수 있는 것으로 주목된다. 융합된 번들과 협력하는 네가티브 렌즈를 사용하면 공간적 균일성을 개선시킬 것이다.Another embodiment of the light guide of the present invention is illustrated in FIG. When used as a light guide, the negative lens 11 adjusts the direction of the rays r 5 , r 6 with respect to the output device 7 so as to be more deflected with respect to the normal of the target spot surface of the rays. In a preferred embodiment, lenses with flat surfaces in the diagram are used. This deflection results in more effective coupling because of the smaller NA and larger spot size. Negative lenses used as light guides, such as tapered coated rods and tapered fusion bundles, can act as filters of unwanted light wavelengths. It is noted that using the lens as the light guide, the light emitted from the guide will be spatially nonuniform and may also include spherical aberrations. Using negative lenses that cooperate with the fused bundle will improve spatial uniformity.
본 발명의 변형 실시예들에 있어서, 출력장치와 유사한 NA 및 직경을 갖는 융합된 번들 또는 피복된 원통형로드는, 광 가이드로부터의 광이 로드 또는 번들을 통해 출력 장치로 전달되도록 광 가이드와 출력장치 사이에 배치될 수 있다. 2개중어느 것을 합체하는 형태는 실제적으로 유리한 결과를 제공할 것이다. 비록 입력 프로파일이 균일하지 않더라도, 광섬유들의 융합된 번들의 출력부로부터의 공간적 프로파일은 균일하다. 그러므로 균일하지 않은 공간적 프로파일을 생산하는 광 가이드가 예컨대, 테이퍼진 피복로드, 네가티브 렌즈, 또는 테이퍼진 중공형 반사튜브로 사용된다면, 그 같은 융합된 번들은 광섬유 출력장치에 균일한 입력을 제공할 수 있다. 그 같은 목적을 위해 사용된 피복된 로드는 광섬유 출격 장치가 특히 열에 민감한 경우 특별한 장점으로 될 것이므로, 타겟 스폿에 존재하는 열로부터 제거될 필요가 있다.In modified embodiments of the present invention, a fused bundle or coated cylindrical rod having a NA and a diameter similar to the output device may include a light guide and an output device such that light from the light guide is transmitted to the output device through the rod or bundle. It can be placed in between. The form of incorporating either will provide practically beneficial results. Although the input profile is not uniform, the spatial profile from the output of the fused bundle of optical fibers is uniform. Therefore, if a light guide producing a non-uniform spatial profile is used, for example, as a tapered sheath rod, negative lens, or tapered hollow reflector tube, such a fused bundle can provide a uniform input to the optical fiber output device. have. The coated rods used for that purpose would need to be removed from the heat present in the target spot, as the fiber optic tracing device would be a particular advantage when it is particularly heat sensitive.
본 발명의 실시예에 사용된 특정형태의 광 가이드가 집광 시스템 및 출력장치의 특징 및 목적에 따라 가변적일 것임이 본 기술분야의 당업자에게는 자명할 것인바, 이때의 변수로는 광의 여과가 요구되는지, 광섬유 출력장치가 특히 열에 민감한지, 균일한 공간적 프로파일이 필요한지, 또한 특정시스템이 크기의 제한을 갖는지의 여부를 포함한다.It will be apparent to those skilled in the art that the specific type of light guide used in the embodiments of the present invention will vary depending on the features and purposes of the light converging system and output device, and whether or not filtration of light is required as a variable at this time. Whether the fiber optic output device is particularly heat sensitive, requires a uniform spatial profile, and whether a particular system has a size limit.
도시된 실시예에서 타겟 스폿(6)에서의 광의 최대 수집을 위해서는 2가지 조건이 바람직한바; 즉, (i) 타겟 스폿(6)의 입력 직경은 그 타겟 스폿(6)에서 전체광의 80%이상의 수집을 보장하도록 아크 갭의 길이의 적어도 2배로 되어야 하며, (ii) 타겟 스폿(6)에서 주 수집 시스템의 수치적 구경("NA")이 최대로 되어야 한다. 후자는 최대로 가능한 NA로 주 수집기를 사용함으로써 달성된다. 그러나, 단일광 또는 광 번들과 같은 출력장치(7)는 주 수집기의 NA보다 낮은 NA를 지닐 수 있다. 예컨대, 주 수집기로부터 오는 타겟 스폿에서의 광은 0.7 내지 0.8 NA를 지녀야하며, 출력 섬유 또는 번들에 대해 전형적으로 섬유 번들에 대해서는 약 0.5NA를 지녀야 한다. 이 같은 NA의 불일치는, 광이 출력 섬유에 직접 커플링되는 경우, 원치 않은 열의 발생 및 대량의 광의 손실을 초래할 것이다. 후술되는 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 테이퍼진 융합된 번들 및 테이퍼진 피복된 로드 형태의 변환장치(8)는 주 수집기로부터 배출되는 더 큰 NA광을 도1에서 광선(r1, r2)으로 표시된 바와 같이 더 작은 NA로 변환시킨다.In the illustrated embodiment two conditions are preferred for maximum collection of light in the target spot 6; That is, (i) the input diameter of the target spot 6 should be at least twice the length of the arc gap to ensure collection of at least 80% of the total light at the target spot 6, and (ii) at the target spot 6. The numerical aperture (“NA”) of the main collection system should be maximized. The latter is achieved by using the main collector with the maximum possible NA. However, the output device 7, such as a single light or light bundle, may have a NA lower than that of the main collector. For example, the light at the target spot coming from the main collector should have 0.7 to 0.8 NA and typically about 0.5 NA for the fiber bundle for the output fiber or bundle. This mismatch of NA will result in the generation of unwanted heat and the loss of a large amount of light when the light is coupled directly to the output fiber. In a preferred embodiment of the present invention will be described below, the fused tapered bundle and tapered converter 8 of the coated rod type beam in a larger NA light discharged from the primary collector FIG. 1 (r 1, r 2 Convert to smaller NA as indicated by).
광 가이드의 직경이 유리의 테이퍼링을 통해 그 길이를 따라 증가되는 경우 기본적인 관들로부터의 조사각(θ)은 감소할 것이며, 이에 따라 수치적 구경 또한 감소할 것이다. 그러므로, 융합된 번들 또는 피복된 로드를 더 작은 입력영역으로부터 더 큰 출력영역으로 테이퍼링시킴으로써, 조사각은 출력장치(7)의 그것과 일치하도록 조절된다. 조사각(θ), 광섬유 단면의 직경(d) 및 수치적 구경(NA)간의 관계는If the diameter of the light guide is increased along its length through the tapering of the glass, the irradiation angle [theta] from the basic tubes will decrease and thus the numerical aperture will also decrease. Therefore, by taping the fused bundle or coated rod from the smaller input area to the larger output area, the irradiation angle is adjusted to match that of the output device 7. The relationship between the irradiation angle θ, the diameter d of the optical fiber cross section and the numerical aperture NA
NA1× d1= NA2×d2(1)NA 1 × d 1 = NA 2 × d 2 (1)
여기서, NAi= Sin(θi/2) (2)Where NA i = Sin (θ i / 2) (2)
로 된다. 본 발명에 있어서, 도 1에 개시된 바와 같이, 관계식 (1) 및 (2)는 광섬유 출력 장치의 직경과 NA에 대한 광의 양을 최대화하도록 광 가이드에 의해 처리된다.It becomes In the present invention, as disclosed in Fig. 1, relations (1) and (2) are processed by the light guide to maximize the diameter of the optical fiber output device and the amount of light for NA.
램프(1)의 출력은 구형오목, 둥근 모양, 또는 타원형 주 거울시스템과 같은 어떤 공지된 수단을 사용하는 타겟 스폿(6)에 이미지된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 도 7에 도시된 종래의 축외 형상과 같은 1:1 이미징 시스템을 지님으로써 획득되는 바, 이는 타겟에 제공되는 증가된 플럭스 밀도 때문이다. 아크램프와 같은 광원의 1:1 이미지를 생산하지 않는 광 수집 및 집광 시스템에 대해서, 스폿은 후술되는 바와 같이 본 발명의 장점을 포함하도록 타겟의 사이즈에 비해 작게 되어야 한다. 일반적으로, 사용되는 광 수집 및 이미징 시스템의 형태는 종종 타겟의 사이즈 및 디멘존, 광가이드의 사이즈 및 형태, 또는 광섬유 출력장치의 직경 및 형태, 및 그들 각각의 모든 수치적 구경들에 의해 결정된다.The output of the lamp 1 is imaged in the target spot 6 using any known means such as a spherical concave, round or oval main mirror system. In a preferred embodiment of the present invention, it is obtained by having a 1: 1 imaging system, such as the conventional off-axis geometry shown in Figure 7, because of the increased flux density provided to the target. For light collection and focusing systems that do not produce a 1: 1 image of a light source such as an arc lamp, the spot should be small relative to the size of the target to incorporate the advantages of the present invention as described below. In general, the type of light collection and imaging system used is often determined by the size and dimension of the target, the size and shape of the light guide, or the diameter and shape of the optical fiber output, and all their numerical apertures. .
도1에 예시된 광 수집 및 이미징 시스템은 축외형상으로 오목의 둥근 반사기를 이용하여 약 1:1 또는 확대되지 않은 아크의 이미지를 제공한다. 그러나, 그 같은 1:1 이미징 시스템의 고유광 수차 때문에, 광학적으로 변환하는 장치 또는 광 가이드의 입력 단면적의 직경이 램프의 아크 갭의 사이즈의 2 내지 3배가 된다면, 최대 수집 효율이 달성된다. 가능한한 더 큰 전체 광을 수집하기 위해, 축외 반사기의 수치적 구경은 가능한 크게 만들어진다. 예컨대, 도1의 것과 같은 축외 시스템에 있어서, NA는 약 0.7로 설계되는 것이 대표적인바, 이것은 약 90°의 고정각을 지니는 광의 콘을 형성한다. 더 큰 수치적 구경 시스템이 가능하며 구성요소들의 기계적 레이아웃에 의해서만 제한된다. 이 각은 도1에서 θ1로 표시된다. 출력을 더 증가시키기 위해, 역 반사기(5)는 주거울과 직접 대향한 램프 뒤에 배치된다. 역 반사기는 광을 램프를 통해 역으로 반사시켜 아크를 통해 집중되게 할 것이며, 이에 따라 주거울에 의해 수집가능한 광도를 증가시키고 또한 이미지 포인트, 즉타겟 스폿(6)의 위치에서 전체 출력을 증가시킨다. 예컨대 열에 의한 바와 같은 손상시 플라스틱 섬유내로의 광의 최대 커플링을 허용하기 위해, 그 플라스틱 섬유의 입력부와 테이퍼진 피복된 로드 또는 테이퍼진 융합된 번들 사이에 융합된 번들이 배치될 수 있다. 테이퍼진 피복된 로드가 광학적 변환장치이라면, 융합된 번들은 또한 단일 플라스틱 섬유 또는 섬유 번들에 커플링하기 위한 더 균일한 출력을 생산하도록 전달 모드를 용이하게 뒤섞는다.The light collection and imaging system illustrated in FIG. 1 provides an image of about 1: 1 or unenlarged arc using a concave round reflector in off-axis shape. However, due to the intrinsic light aberration of such a 1: 1 imaging system, the maximum collection efficiency is achieved if the diameter of the input cross-sectional area of the optically converting device or light guide is two to three times the size of the arc gap of the lamp. In order to collect as much total light as possible, the numerical aperture of the off-axis reflector is made as large as possible. For example, in an off-axis system such as that of Figure 1, NA is typically designed to be about 0.7, which forms a cone of light with a fixed angle of about 90 degrees. Larger numerical aperture systems are possible and are limited only by the mechanical layout of the components. This angle is represented by θ 1 in FIG. 1 . To further increase the output, the reverse reflector 5 is arranged behind the lamp which is directly opposite the housing. The reverse reflector will reflect the light back through the lamp and concentrate it through the arc, thereby increasing the brightness collectable by the housing and also increasing the overall power at the location of the image point, ie the target spot 6. . A fused bundle can be placed between the input of the plastic fiber and the tapered coated rod or tapered fused bundle to allow maximum coupling of light into the plastic fiber upon damage such as by heat. If the tapered coated rod is an optical transducer, the fused bundle also easily shuffles the delivery mode to produce a more uniform output for coupling to a single plastic fiber or fiber bundle.
단일의 큰 타겟의 사용은 제외하더라도 본 발명은 타겟으로서 다중 섬유들을 통해 고강도의 광의 더 효과적인 커플링 및 전달을 촉진시킨다. 이것은 약 50 미크론의 작은 직경의 수백 또는 수천의 섬유들의 섬유 번들을 포함할 뿐 아니라, 수술 조명 내지 통상의 디스플레이 조명의 범위에 적용하여 사용하기 위한 충분한 양의 광을 전달할 수 있는 더 큰 섬유들의 번들을 포함한다. 단일 섬유 타겟에 대해서, 유리, 석영 또는 플라스틱의 단일 섬유들로 구성된 다중 섬유 타겟은, 섬유타겟에 대한 손상을 최소화하기 위해 중간이 융합된 번들을 통해, 사용된 광 가이드의 특정형태로부터의 출력에 따라 또는 직접 커플링될 수 있다. 전형적인 광섬유 출력 장치들은, 80미크론 직경 미만의 작은 직경의 광학 섬유들로 구성된 섬유번들로부터 플라스틱으로 만들어진 단일의 큰 직경의 광섬유까지 변할 수 있다. 각각의 섬유가 A(f)의 단면적을 지니는 다중 섬유를 갖는 타겟에 대해서, 번들내의 섬유들의 전체 개수는 A(f)에 의한 번들의 출력의 단면적을 분리함으로써 획득된 개수보다 적게 된다.Apart from the use of a single large target, the present invention promotes more effective coupling and transmission of high intensity light through multiple fibers as a target. This not only includes a fiber bundle of hundreds or thousands of fibers with a small diameter of about 50 microns, but also a bundle of larger fibers capable of delivering a sufficient amount of light for use in the range of surgical lighting to conventional display lighting. It includes. For a single fiber target, a multi-fiber target consisting of single fibers of glass, quartz or plastic is applied to the output from the particular type of light guide used, through a bundle of intermediate fused to minimize damage to the fiber target. Along or directly coupled. Typical optical fiber output devices can vary from fiber bundles consisting of small diameter optical fibers less than 80 microns in diameter to a single large diameter optical fiber made of plastic. For a target with multiple fibers where each fiber has a cross-sectional area of A (f), the total number of fibers in the bundle is less than the number obtained by separating the cross-sectional area of the output of the bundle by A (f).
본 발명의 다른 실시예들은, 각각의 섬유의 직경이 0.1㎜ 이상 및 5㎜ 이하로 되는 광섬유 출력 장치로서 다수의 섬유들에 대해 광의 방향을 조절하게 될 수 있다. 본 발명의 이 같은 다른 실시예들은, 각각의 광섬유를 통한 최대 광이 각각의 광섬유들에 일치하도록 광 수집 시스템의 수치적 구경을 변형시킴으로써 달성되는 분산된 광섬유 조명 시스템을 제공한다. 부가적으로, 테이퍼진 융합된 번들이나 융합된 번들과 함께 테이퍼진 피복로드를 사용하면 거의 동일한 양의 광을 출력번들내의 각각의 광섬유 내로 커플링시키기 위한 거의 균일한 출력을 제공한다.Other embodiments of the present invention can be adapted to control the direction of light for multiple fibers as an optical fiber output device in which each fiber has a diameter of at least 0.1 mm and at most 5 mm. These other embodiments of the present invention provide a distributed optical fiber illumination system that is achieved by modifying the numerical aperture of the light collection system such that the maximum light through each optical fiber matches the respective optical fibers. In addition, the use of tapered fused bundles or tapered sheath rods with fused bundles provides a nearly uniform output for coupling approximately the same amount of light into each optical fiber in the output bundle.
본질적으로, 테이퍼진 피복로드는 테이퍼진 융합 번들보다 전체적인 전달에서 더 효과적이다. 한편, 테이퍼진 피복로드는 테이퍼진 융합 번들보다 완전하게 NA를 변형시키는데 더 긴 길이가 요구되며 또한 로드의 모드를 뒤섞는데 더 긴 길이를 필요로한다. 즉, 균일한 출력을 생산하도록 모드를 뒤섞고 NA를 변화시키는데 필요한 피복된 로드의 테이퍼길이는 NA만을 변화시키는데 필요한 것보다 실제로 길다. 전형적으로 80미크론 미만의 테이퍼진 융합 번들에서 개별적인 섬유들의 작은 직경은 각각의 섬유의 약 30직경내의 각을 이루는 공간적 프로파일을 변환시킨다. 역으로, 테이퍼진 피복된 로드는 수치적 구경을 모두 변형시키고 공간적으로 균일한 출력을 생산하는데 더 긴 길이를 필요로한다.In essence, tapered cladding rods are more effective in overall delivery than tapered fusion bundles. Tapered cladding rods, on the other hand, require longer lengths to completely deform the NA than tapered fusion bundles and also require longer lengths to shuffle the modes of the rods. That is, the taper length of the coated rods needed to change the NA and change the mode to produce a uniform output is actually longer than necessary to change only the NA. Small diameters of individual fibers, typically in tapered fusion bundles of less than 80 microns, translate into an angular spatial profile within about 30 diameters of each fiber. Conversely, tapered coated rods require longer lengths to deform all numerical apertures and produce a spatially uniform output.
피복된 로드에 관련되기 때문에, 융합된 번들은 덜 효과적이며, 본 발명의 실시예들에서 광 가이드로서의 적용은 광섬유 출력장치의 직경 및 주 수집기 시스템의 레이아웃에 의존할 것이다. 테이퍼진 융합 번들 또는 테이퍼진 피복로드의 경우에 변환을 위한 최종적인 전체의 효과 및 수치적 구경은 단일의 광학적 기하학에 따라 결정되며, 테이퍼가 발생되는 길이 및 테이퍼 각에 따라 변한다.As it relates to the coated rods, the fused bundle is less effective, and in embodiments of the present invention the application as a light guide will depend on the diameter of the optical fiber output and the layout of the main collector system. In the case of tapered fusion bundles or tapered cladding rods, the final overall effect and numerical aperture for the transformation is determined by a single optical geometry and varies with the length and taper angle at which the taper occurs.
각각의 실시예에 대한 광원이 넓은 스펙트럼 출력을 지니는 것으로 주어진다면, 파장의 구별은 길이 변형 장치들의 입력 또는 출력 표면 및/또는 광 수집 시스템의 주 반사기에 도포된 유전성 코팅의 사용을 통해 본 발명에서 달성된다.If the light source for each embodiment is given to have a broad spectral output, the distinction of wavelength can be achieved in the present invention through the use of a dielectric coating applied to the input or output surface of the length modifying devices and / or to the main reflector of the light collection system. Is achieved.
실시예 1Example 1
도1에 개시된 것과 같은 1:1배율을 지니는 축외 이미징 시스템을 사용하면 나머지 구성요소들의 선택에 영향을 준다. 주 거울이 더 큰 수집각을 지니기 때문에, 타겟 이미지는, 그 이미지를 아크 갭의 사이즈보다 필수적으로 더 크게 하는 광학적 수치 및 비점수차(astigmatism)를 고유적으로 경험한다. 최대 수집 효율은, 광학적 변형 장치(8)의 입력 직경이 램프의 아크 갭 사이즈의 2 내지 3배가 되고 변형 장치의 입력 수치적 구경이 타겟 스폿에서의 입사광의 수치적 구경과 유사하다면 1:1 이미징 시스템에서 달성된다. 도 1에 있어서, 축외 이미징 시스템의 NA는 약 0.7이며 광학적 변형 시스템의 NA는 0.66이상이다.Use of an off-axis imaging system with a 1: 1 magnification such as that shown in FIG. 1 affects the selection of the remaining components. Because the main mirror has a larger acquisition angle, the target image inherently experiences optical numerical and astigmatism that makes the image essentially larger than the size of the arc gap. The maximum collection efficiency is 1: 1 imaging if the input diameter of the optical strainer 8 is two to three times the arc gap size of the lamp and the input numerical aperture of the strainer is similar to the numerical aperture of incident light at the target spot. Is achieved in the system. In FIG. 1, the NA of the off-axis imaging system is about 0.7 and the NA of the optical deformation system is at least 0.66.
출력장치가 0.6NA를 갖는 12㎜ 직경의 단일 코어 플라스틱 광섬유라면, 거의 6㎜미만의 작은 집중 스폿을 생산하는 어떤 이미징 시스템이 적합하게 될 것이다. 축외 이미징 시스템에 나타난 1:1배율에 대해, 거의 3㎜의 아크 갭을 갖는 램프는 이미지를 불선명하게 하는 시스템에서 광학적 수차를 일으키는 타겟 스폿에서 적어도 80%의 광수집율을 보장하는데 적합하게 될 것이다.If the output device is a 12 mm diameter single core plastic optical fiber with 0.6NA, any imaging system that produces small concentrated spots of less than nearly 6 mm would be suitable. For a 1: 1 magnification seen in an off-axis imaging system, a lamp with an arc gap of nearly 3 mm would be suitable to ensure a light collection rate of at least 80% at a target spot causing optical aberration in a system that makes the image unclear. will be.
본 실시예에 대한 일반적인 사항에 있어서, 출력 광섬유 장치의 직경(d3)은 테이퍼진 광 가이드의 출력 직경(d2)보다 크거나 거의 같게 될 것이며, 직경(d2,d3)보다 작은 테이퍼진 광 가이드(d1)의 입력 직경은 아크 갭의 길이의 거의 2배(또는 특정되지 않은 배율 특성의 일부 다른 형태에 대해 아크 갭 비율에 대한 고유 이미지 스폿 사이즈와 거의 동일하게) 되어야 한다. 부가적으로, 출력 광섬유(NA3)의 NA는 광 변형 장치(8)로부터의 출력(NA)인 NA2와 거의 동일하게 될 것이며, NA2보다 큰 입력(NA1)은 최적의 전체 효율을 생산하도록 광수집 시스템과 유사하게 될 것이다. 부가적으로 요소(8)의 길이와 테이퍼 각은 식(1)에 의해 결정된다.In general terms for this embodiment, the diameter d 3 of the output optical fiber device will be greater than or approximately equal to the output diameter d 2 of the tapered light guide, and the taper smaller than the diameter d 2 , d 3 . The input diameter of the advancing guide d 1 should be almost twice the length of the arc gap (or nearly the same as the inherent image spot size for the arc gap ratio for some other form of magnification characteristic not specified). In addition, the NA of the output optical fiber NA 3 will be approximately equal to NA 2 , which is the output NA from the optical modifying device 8, and an input NA 1 greater than NA 2 will provide an optimal overall efficiency. Will be similar to a light collection system to produce In addition, the length and taper angle of the element 8 are determined by equation (1).
실시예2Example 2
본 발명의 최대 수집 효율이 광 가이드의 디자인 및 광을 수집하고 또한 집광/이미징하는것에 따르는 것으로 주어진다면, 타겟의 사이즈에 따른 광섬유 타겟을 통해 전달된 수집된 광의 양을 증가시킬 바람직한 실시예들 또는 형상들의 그룹이 있다. 축외 형상에 있어서, 주 거울로부터 더 높은 수집효율을 획득하기 위해 주 거울의 효과적인 NA는 증가되는 것이 요구된다. 그러나, 광이 타겟에 반사되는 고정각을 증가시킴으로써, 일부의 광선은 확대될 것이며 또한 일부는 도2에 도시된 바와 같이 1:1로 이미지되는 대신에 축소될 것이다. 예컨대, 도면에 도시된 바와 같은 광선(r3)은 타겟 스폿(6)보다 램프(1)에 더 근접한 거울에 반사점을 지니며, 이것은 타겟에 확대된 이미지를 제공할 것이다. 도시된 바와 같이 광선(r4)은 램프보다 거울에 더 근접한 거울에서 반사점을 지니며 이는 축소된 이미지를 부여할 것이다. 모든 광선들의 합으로 구성된 전체 이미지 사이즈는 1:1로부터 전체 스폿 사이즈를 증가시킬 것이다. 이미지 사이즈의 증가에 대한 보상을 위해, 테이퍼진 로드 또는 융합된 번들의 입력의 직경이 수집효율을 최대화하기 위해 증가되어야 하며 또한 전형적으로 광원의 아크 갭의 길이에 약 2 내지 3배로 되어야 할 필요가 있다. 그러므로, 2㎜의 램프 아크 갭에 대해 3:1이상의 부분 확대를 지니는 도2에 도시된 것과 같은 비균일 이미징 축외 광학시스템은 수차가 없는 것으로 추측되는 약 6㎜의 타겟 스폿 직경을 생산할 것이며 또한 테이퍼진 로드에 대해 6㎜의 입력을 필요로할 것이다.Given that the maximum collection efficiency of the present invention depends on the design of the light guide and the collecting and condensing / imaging of the light guide, preferred embodiments that will increase the amount of collected light transmitted through the optical fiber target depending on the size of the target or There is a group of shapes. In the off-axis shape, the effective NA of the main mirror is required to be increased in order to obtain higher collection efficiency from the main mirror. However, by increasing the fixed angle at which light is reflected at the target, some rays will be enlarged and some will be reduced instead of being imaged 1: 1 as shown in FIG. For example, the ray r 3 as shown in the figure has a reflection point in the mirror closer to the lamp 1 than the target spot 6, which will give the target an enlarged image. As shown, ray r 4 has a reflection point in the mirror closer to the mirror than the lamp, which will give a reduced image. The total image size consisting of the sum of all the rays will increase the overall spot size from 1: 1. To compensate for the increase in image size, the diameter of the input of the tapered rod or fused bundle should be increased to maximize the collection efficiency and typically need to be about two to three times the length of the arc gap of the light source. have. Therefore, a non-uniform imaging off-axis optical system such as the one shown in FIG. 2 with a partial magnification of greater than 3: 1 for a lamp arc gap of 2 mm will produce a target spot diameter of about 6 mm that is assumed to be aberration free and also tapered It will require an input of 6 mm for the true rod.
실시예3Example 3
더 큰 수집각 이상에서 광을 수집하여 이용하는 또 다른 방식은 도3에 도시된 바와 같이 연장된 타원형 반사기를 사용하는 것이다. 이 같은 구성을 이용하면, 광의 주요부는 반사기에 의해 수집되지만 배율은 1:1이 아니다. 전형적으로, 그 같은 형상은 3:1이상의 배율을 지닐 것이다. 이 경우 타겟에서의 광의 NA는 단일체에 대해 너무 크게되어 각각 약 0.5내지 0.6의 NA를 갖는 대형의 단일 플라스틱 섬유 또는 섬유 번들과 같은 큰 직경의 타겟에 커플링되지 않을 것이다. 타원형 수집 및 집광 반사기를 합체하는 종래의 시스템에 있어서, 반사기는 절두형으로 되며 도 3의 반사기(3a)의 가파른 부분을 포함하지 않을 것이다. 종래의 시스템에서의 뚜렷한 부분으로부터의 광은, 높은 NA부분으로부터 수집된 광이 너무 높은 NA로 될 것이고 전형적으로 약 0.6 또는 더 작은 NA를 지니는 전형적인 섬유 타겟에 커플링되지 않을 것이기 때문에 사용될 수 없다. 본 발명의 이 같은 실시예에 있어서, 높은 NA광을 광 가이드(8)와 같은 테이퍼진 피복 로드 또는 테이퍼진 융합 번들을 갖는낮은 NA로 변형시키면, 높은 NA로부터 낮은 NA로 변형된 부가적인 광 플럭스로 하여금 광섬유 타겟내로 커플링되게 한다. 즉, 테이퍼진 광 가이드의 입력직경은 그 같은 하나의 형상에 대해 전형적으로 적어도 3배 큰 광원의 아크 갭보다 더 크게 될 것이다.Another way to collect and use light above a larger collection angle is to use an elliptical reflector extended as shown in FIG. With this configuration, the major part of the light is collected by the reflector but the magnification is not 1: 1. Typically, such shapes will have a magnification of at least 3: 1. In this case the NA of the light at the target will be so large for the monolith that it will not be coupled to a large diameter target such as a large single plastic fiber or fiber bundle having an NA of about 0.5 to 0.6 each. In conventional systems incorporating elliptical collecting and condensing reflectors, the reflector will be truncated and will not include the steep portion of reflector 3a of FIG. Light from the prominent portion in a conventional system cannot be used because light collected from the high NA portion will be too high NA and typically will not be coupled to a typical fiber target with a NA of about 0.6 or smaller. In this embodiment of the present invention, the transformation of high NA light into a low NA with a tapered cladding rod or tapered fusion bundle, such as the light guide 8, results in an additional light flux modified from high NA to low NA. Causes coupling into the optical fiber target. That is, the input diameter of the tapered light guide will be larger than the arc gap of the light source, which is typically at least three times larger for such one shape.
실시예4Example 4
타겟을 통한 광의 전달은, 테이퍼진 광 가이드의 출력 수치적 구경이 광섬유 출력장치의 수치적 구경보다 작게 되는 경우 최적화된다. 출력 광섬유의 NA는 관계식(1)에 의해 테이퍼진 광 가이드의 입력 NA에 관련되며, 테이퍼진 광 가이드의 입력 NA는 광 수집 및 이미징 시스템과 같거나 그 미만으로 되는 것이 전형적이다. 테이퍼진 광 변형 장치의 길이는 장치의 입력 및 출력 NA의 비율에 의해 또한 융합된 번들 또는 피복된 로드가 테이퍼 졌는지의 여부에 따라 결정된다. 어떤 경우에 있어서, 테이퍼진 광 가이드의 입력 NA는 타겟에서 최대 수집 효율을 위해 타겟 스폿에서 주 수집기 시스템의 NA와 적어도 동일하게 되어야 한다.The transmission of light through the target is optimized when the output numerical aperture of the tapered light guide becomes smaller than the numerical aperture of the optical fiber output device. The NA of the output optical fiber is related to the input NA of the tapered light guide by relation (1), and the input NA of the tapered light guide is typically equal to or less than the light collection and imaging system. The length of the tapered light modifying device is determined by the ratio of the input and output NA of the device and also depending on whether the fused bundle or coated rod is tapered. In some cases, the input NA of the tapered light guide should be at least equal to the NA of the main collector system at the target spot for maximum collection efficiency at the target.
예컨대, 5인치의 길다란 테이퍼진 피복된 로드가 광 가이드로 사용된다. 테이퍼진 피복로드는 약 2.5㎜의 입력 직경과 약 4㎜의 출력 직경을 지닌다. 이 로드는 (실시예 1에 설명된 바와 같은 주 수집기 시스템으로부터와 같이) 약 0.7의 입력 NA를 갖는 광을 약 0.45의 출력NA로 변형시킨다. 이 출력광은 5㎜직경과 0.5의 NA를 지니는 출력 광섬유 번들에 효과적으로 커플링된다. 테이퍼를 갖지 않는 피복 로드와 비교하면, 출력 광섬유 번들을 통한 출력에서의 증가는 약 15%이며 항 반사 코팅을 갖는 테이퍼의 입력 및 출력단부를 유전적으로 피복함으로써 더 증가될 수있다.For example, a 5 inch long tapered coated rod is used as the light guide. The tapered sheath rod has an input diameter of about 2.5 mm and an output diameter of about 4 mm. This rod transforms light with an input NA of about 0.7 (as from a main collector system as described in Example 1) to an output NA of about 0.45. This output light is effectively coupled to the output fiber bundle with a 5 mm diameter and an NA of 0.5. Compared to the sheathing rod without taper, the increase in output through the output fiber optic bundle is about 15% and can be further increased by dielectrically covering the input and output ends of the taper with antireflective coating.
실시예 5Example 5
또 다른 실시예에 있어서, 약 10㎜의 출력단부 직경 및 약 6㎜의 입력단부 직경을 지니는 테이퍼진 융합번들은 작은 아크램프로부터의 광을 거의 12㎜의 직경의 대형 광섬유 코어 커플링시키는데 사용된다. 테이퍼가 없는 융합된 번들과 비교하면, 광섬유 코어로부터의 출력은 22%까지 증가한다.In yet another embodiment, tapered fusion bundles having an output end diameter of about 10 mm and an input end diameter of about 6 mm are used to couple light from a small arclamp to a large fiber core having a diameter of nearly 12 mm. . Compared with the tapered fused bundle, the output from the fiber optic core is increased by 22%.
본 발명은 설명된 바와 같은바, 본 기술분야의 당업자들에게는 본 발명의 실시예들이 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 방식으로 변형되거나 수정될 수 있을 것이 자명할 것이다. 그러므로, 어떠한 또한 그 같은 모든 수정예들은 첨부된 청구범위의 범위내에 포함될 것이다.As the invention has been described, it will be apparent to those skilled in the art that embodiments of the invention may be modified or modified in various ways without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, any and all such modifications will also be included within the scope of the appended claims.
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