(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学装置であって、
単一の非カスケード式の電磁放射のソースと、
前記ソースによって射出された電磁放射の少なくとも一部で照明される導波路と、
光軸と、当該光軸上の第１の焦点と第２の焦点とを有する凹状回転面を含む第１の反射体と、
光軸と、当該光軸上の第１の焦点と第２の焦点とを有する凹状回転面を含む第２の反射体と、を備え、
前記ソースは前記第１の反射体の前記第１の焦点の近傍に位置して前記第１の反射体から反射して前記第２の焦点で実質的に収束する放射光線を生成し、
前記導波路は前記第２の反射体の前記第１の焦点の近傍に位置して前記第２の反射体の前記第２の焦点を通過して前記第２の反射体によって反射されて前記第２の反射体の前記第１の焦点で実質的に収束する放射の光線を受け取り、
前記第２の反射体は、前記第１の反射体に対して、前記第１の反射体の前記第２の焦点と前記第２の反射体の前記第２の焦点とが実質的に近傍に位置し、前記第１の反射体の前記光軸と前記第２の反射体の前記光軸とが実質的に同一線になるよう、位置付けられ配向され、
前記単一の電磁放射ソースは前記光学装置の唯一の放射ソースである光学装置。
【請求項２】
前記第１の反射体は、電磁放射スペクトルの予め特定された部分のみを反射する被覆を有する、請求項１記載の光学装置。
【請求項３】
前記被覆は、可視光の放射、予め特定された広帯域放射、または特定の色の放射のいずれかのみを反射する、請求項２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記第１および前記第２の反射体の各々は、実質的に回転楕円の面の少なくとも一部を含む、請求項１に記載の光学装置。
【請求項５】
前記電磁放射のソースによって射出された電磁放射のある部分は前記第１の反射体に直接当たり、前記電磁放射のある部分は前記第１の反射体に直接当たらず、
前記装置は、前記第１の反射体に直接当たらない電磁放射の部分の少なくとも一部を前記第１の反射体の第１の焦点を通して前記第１の反射体に向けて反射し、収束する光線の線束密度を高めるよう構成され配置されるさらなる反射体をさらに含む、請求項１に記載の光学装置。
【請求項６】
前記さらなる反射体は、前記ソースの、前記第１の反射体と反対側に置かれ、前記第１の反射体から離れる方向に前記ソースから射出された電磁放射を前記第１の反射体の前記第１の焦点を通して前記第１の反射体に反射する球面逆反射体を含む、請求項５に記載の光学装置。
【請求項７】
前記第１および第２の反射体の前記光軸は、互いに実質的に一致し、前記第１および第２の反射体は互いに対向し、向かい合って配置される、請求項１に記載の光学装置。
【請求項８】
前記ソースは光を射出するアーク灯を含む、請求項１に記載の光学装置。
【請求項９】
前記アーク灯は、キセノン灯、ハロゲン化金属灯、ＨＩＤ灯、または水銀灯を含む群から選択される灯を含む、請求項８に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記ソースはフィラメント灯を含む、請求項１に記載の光学装置。
【請求項１１】
前記導波路は、単芯光ファイバ、ファイバの束、溶融されたファイバの束、多角形のロッド、中空反射光管、またはホモジナイザを含む群から選択される、請求項１に記載の光学装置。
【請求項１２】
前記導波路は、円形断面導波路、多角形断面導波路、テーパーされた導波路、およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項１１に記載の光学装置。
【請求項１３】
前記導波路は矩形であり、４：３または１６：９のいずれかの幅対高さの比率を有する放射出力を生成する、請求項１２に記載の光学装置。
【請求項１４】
前記導波路で収集され集光された放射によって照明される像源をさらに含み、前記像源は記憶された像を含み、前記記憶された像は放射によって投影される、請求項１に記載の光学装置。
【請求項１５】
光ファイバをさらに含み、前記光ファイバは前記導波路で収集および集光された放射によって照明され、前記光ファイバは収集および集光された放射を放出して照明を所望の位置にもたらす、請求項１に記載の光学装置。
【請求項１６】
前記第１および前記第２の反射体は、前記ソースと前記導波路との間の距離より大きい直径を各々が有する、請求項１に記載の光学装置。
【請求項１７】
前記第１の反射体の前記凹状面は、前記ソースの倍率１（ｕｎｉｔ  ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ）が前記第１の反射体の前記第２の焦点では起こらないように構成されている、請求項１に記載の光学装置。
【請求項１８】
光学装置であって、
単一の非カスケード式の電磁放射ソースと、
前記ソースによって射出される前記電磁放射の少なくとも一部によって照明される標的と、
光軸と、当該光軸上の第１の焦点と第２の焦点とを備える凹状回転面の少なくとも一部を含む第１の反射体と、
光軸と、当該光軸上の第１の焦点と第２の焦点とを備える凹状回転面の少なくとも一部を含む第２の反射体と、を備え、
前記ソースは前記第１の反射体の前記第１の焦点の近傍に位置して前記第１の反射体から反射して前記第２の焦点に実質的に収束する放射線を作り出し、
前記標的は、前記第２の反射体の前記第１の焦点の近傍に位置して前記第２の反射体の前記第２の焦点を通って前記第２の反射体によって反射されて前記第２の反射体の前記第１の焦点に実質的に収束する光を受け取り、
前記第２の反射体は、前記第１の反射体に対して、前記第１の反射体の前記光軸と前記第２の反射体の前記光軸とが実質的に同一線上にあるとともに、前記第１の反射体の前記第２の焦点と前記第２の反射体の前記第２の焦点とが実質的に近接して位置付けられるように、位置付けられ配向され、
前記単一の電磁放射のソースは前記装置の唯一の放射ソースであり、
前記第１の反射体および前記第２の反射体は実質的に同じ大きさおよび形状を有し、かつ、前記第１の反射体の表面部分によって反射された放射の各光線が前記第２の反射体の対応する表面部分によって前記標的に反射され、前記ソースと前記標的との間で実質的に倍率１（ｕｎｉｔ  ｍａｇｉｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を達成するよう、互いに対して対応するサイズと光学的配光とを有する、光学装置。
【請求項１９】
光学装置であって、
単一の電磁放射のソースと、
前記ソースによって射出される前記電磁放射の少なくとも一部によって照明される標的と、
光軸と、当該光軸上の第１の焦点と第２の焦点とを備える第１の反射体と、
光軸と、当該光軸上の第１の焦点と第２の焦点とを備える第２の反射体と、を備え、
前記ソースは前記第１の反射体の前記第１の焦点の近傍に位置して前記第１の反射体から反射して前記第２の焦点に実質的に収束する放射線を作り出し、
前記標的は前記第２の反射体の前記第１の焦点の近傍に位置して前記第２の反射体の前記第２の焦点を通って前記第２の反射体によって反射されて前記第２の反射体の前記第１の焦点に実質的に収束する放射を受け取り、
前記第２の反射体は、前記第１の反射体に対して、前記第１の反射体の前記第２の焦点と前記第２の反射体の前記第２の焦点とが実質的に近傍に位置し、前記第１の反射体の前記光軸と前記第２の反射体の前記光軸とが実質的に同一線上に位置するように、位置付けられ配向され、
前記第１および前記第２の反射体の各々は、実質的に回転楕円の面の少なくとも一部を含み、
前記第１および第２の反射体の各々は非楕円部分をさらに含む、光学装置。
【請求項２０】
光学装置であって、
単一の非カスケード式の電磁放射のソースと、
前記ソースによって射出される前記電磁放射の少なくとも一部によって照明される標的と、
光軸と、当該光軸上の第１の焦点と第２の焦点とを備える凹状回転面の一部を含む第１の反射体と、
光軸と、当該光軸上の第１の焦点と第２の焦点とを備える凹状回転面の一部を含む第２の反射体と、を備え、
前記ソースは前記第１の反射体の前記第１の焦点の近傍に位置して前記第１の反射体から反射して前記第２の焦点に実質的に収束する放射線を作り出し、
前記標的は前記第２の反射体の前記第１の焦点の近傍に位置して前記第２の反射体の前記第２の焦点を通って前記第２の反射体によって反射されて前記第２の反射体の前記第１の焦点に実質的に収束する放射を受け取り、
前記第２の反射体は、前記第１の反射体に対して、前記第１の反射体の前記第２の焦点と前記第２の反射体の前記第２の焦点とが実質的に近傍に位置し、前記第１の反射体の前記光軸と前記第２の反射体の前記光軸とが実質的に同一線上に位置するように、位置付けられ配向され、
前記単一の電磁放射のソースは、前記装置の唯一の放射ソースであり、
前記第１および前記第２の反射体の各々は、実質的に回転環状の面の少なくとも一部を含む、光学装置。
【請求項２１】
光学装置であって、
単一の電磁放射ソースと、
前記ソースによって射出される前記電磁放射の少なくとも一部によって照明される標的と、
光軸と、当該光軸上の第１の焦点と第２の焦点とを備える第１の反射体と、
光軸と、当該光軸上の第１の焦点と第２の焦点とを備える第２の反射体と、を備え、
前記ソースは前記第１の反射体の前記第１の焦点の近傍に位置して前記第１の反射体から反射して前記第２の焦点に実質的に収束する放射線を作り出し、
前記標的は前記第２の反射体の前記第１の焦点の近傍に位置して前記第２の反射体の前記第２の焦点を通って前記第２の反射体によって反射されて前記第２の反射体の前記第１の焦点に実質的に収束する放射を受け取り、
前記第２の反射体は、前記第１の反射体に対して、前記第１の反射体の前記第２の焦点と前記第２の反射体の前記第２の焦点とが実質的に近傍に位置し、前記第１の反射体の前記光軸と前記第２の反射体の前記光軸とが実質的に同一線上に位置するように、位置付けられ配向され、
前記第１および前記第２の反射体の各々は、実質的に回転球面の少なくとも一部を含む、光学装置。
【請求項２２】
単一の非カスケード式の電磁放射のソースによって射出される電磁放射を収集しこの収集された電磁放射を導波路に焦点合わせする光学装置であって、
凹状回転面を含む第１の反射体と、
凹状回転面を含む第２の反射体と、を備え、
前記第１の反射体は、光軸と、当該光軸上の少なくとも第１の焦点と第２の焦点とを備え、
前記第１の反射体は、前記電磁放射のソースが前記第１の反射体の前記第１の焦点の近傍に位置する時、当該第１の反射体から反射して当該第１の反射体の前記第２の焦点に実質的に収束する放射を作り出し、
前記第２の反射体は、光軸と、当該光軸上の少なくとも第１の焦点と第２の焦点とを備え、
前記第２の反射体は、前記第１の反射体に対して、前記第１の反射体の前記光軸と前記第２の反射体の前記光軸とが実質的に同一線上に位置するように、位置付けられ配向され、
前記第２の反射体は、前記第１の反射体に対して、前記第１の反射体の前記第２の焦点と前記第２の反射体の前記第２の焦点とが実質的に近傍に位置し、かつ、当該第１の反射体から反射された放射の収束線が前記第２の反射体の前記第２の焦点を通過して、前記第２の反射体によって前記第２の反射体の第１の焦点の近傍に位置する前記導波路に向け直されるように、位置付けられ配向され、
前記単一の電磁放射のソースは、前記装置の唯一の放射ソースである、光学装置。
【請求項２３】
前記ソースによって射出された前記第１の反射体に直接当たらない電磁放射の部分の少なくとも一部を、前記第１の反射体の第１の焦点を通して前記第１の反射体に向けて反射し、前記収束線の線束密度を高めるよう、構成され配置されるさらなる反射体をさらに含む、請求項２２に記載の光学装置。
【請求項２４】
前記さらなる反射体は、前記ソースの、前記第１の反射体と反対側に置かれ、前記第１の反射体から離れる方向に前記ソースから射出された電磁放射を前記第１の反射体の第１の焦点を通して前記第１の反射体に反射する球面逆反射体を含む、請求項２３に記載の光学装置。
【請求項２５】
前記第１および第２の反射体の前記光軸は、互いに実質的に一致し、前記第１および第２の反射体は互いに対向して向かい合って配置される、請求項２２に記載の光学装置。
【請求項２６】
前記第１および前記第２の反射体の各々は、実質的に回転楕円の面の少なくとも一部を含む、請求項２２に記載の光学装置。
【請求項２７】
前記第１および前記第２の反射体の各々は、前記ソースと前記導波路との間の距離よりも大きい直径を各々が有する、請求項２２に記載の光学装置。
【請求項２８】
前記第１の反射体の前記凹状面は、前記ソースの倍率１が前記第１の反射体の前記第２の焦点では起こらないように構成されている、請求項２２に記載の光学装置。
【請求項２９】
前記導波路は、単芯光ファイバ、ファイバの束、溶融されたファイバの束、多角形のロッド、中空反射光管、またはホモジナイザを含む群から選択される、請求項２２に記載の光学装置。
【請求項３０】
前記導波路は矩形であり、４：３または１６：９のいずれかの幅対高さの比率を有する放射出力を生成する、請求項２９に記載の光学装置。
【請求項３１】
前記導波路は、円形断面導波路、多角形断面導波路、テーパーされた導波路、およびそれらの組合せからなる群から選択される、請求項２２に記載の光学装置。
【請求項３２】
前記導波路で収集され集光された放射によって照明される像源をさらに含み、前記像源は記憶された像を含み、前記記憶された像は放射によって投影される、請求項２２に記載の光学装置。
【請求項３３】
光ファイバをさらに含み、前記光ファイバは前記導波路で収集および集光された放射によって照明され、前記光ファイバは収集および集光された放射を放出して照明を所望の位置にもたらす、請求項２２に記載の光学装置。
【請求項３４】
単一の非カスケード式の電磁放射のソースによって射出される電磁放射を収集しこの収集された電磁放射を標的に焦点合わせする光学装置であって、
凹状回転面の一部を含む第１の反射体と、
凹状回転面の一部を含む第２の反射体と、を備え、
前記第１の反射体は、光軸と、当該光軸上の少なくとも第１の焦点と第２の焦点とを備え、
前記第１の反射体は、前記電磁放射のソースが前記第１の反射体の前記第１の焦点に位置する時、当該第１の反射体から反射して当該第１の反射体の前記第２の焦点に実質的に収束する放射を作り出し、
前記第２の反射体は、光軸と、当該光軸上の少なくとも第１の焦点と第２の焦点とを備え、
前記第２の反射体は、前記第１の反射体に対して、前記第１の反射体の前記光軸と前記第２の反射体の前記光軸とが実質的に同一線上に位置するように、位置付けられ配向され、
前記第２の反射体は、前記第１の反射体に対して、前記第１の反射体の前記第２の焦点と前記第２の反射体の前記第２の焦点とが実質的に近傍に位置し、かつ、当該第１の反射体から反射された放射の収束線が前記第２の反射体の前記第２の焦点を通過して、前記第２の反射体によって前記第２の反射体の第１の焦点の近傍に位置する前記標的に向け直されるように、位置付けられ配向され、
前記単一の電磁放射のソースは、前記装置の唯一の放射ソースであり、
前記第１の反射体および前記第２の反射体は実質的に同じ大きさおよび形状を有し、かつ、前記第１の反射体の表面部分によって反射された放射の各光線が前記第２の反射体の対応する表面部分によって前記標的に反射され、ソースと標的との間で実質的に倍率１(ｕｎｉｔ  ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ)を達成するよう、互いに光学的対称に配向されている、光学装置。
【請求項３５】
単一の非カスケード式の電磁放射のソースによって射出される電磁放射を収集しこの収集された電磁放射を標的に焦点合わせする光学装置であって、
凹状回転面の一部を含む第１の反射体と、
凹状回転面の一部を含む第２の反射体と、を備え、
前記第１の反射体は、光軸と、当該光軸上の少なくとも第１の焦点と第２の焦点とを備え、
前記第１の反射体は、前記電磁放射のソースが前記第１の反射体の前記第１の焦点に位置する時、当該第１の反射体から反射して当該第１の反射体の前記第２の焦点に実質的に収束する放射を作り出し、
前記第２の反射体は、光軸と、当該光軸上の少なくとも第１の焦点と第２の焦点とを備え、
前記第２の反射体は、前記第１の反射体に対して、前記第１の反射体の前記光軸と前記第２の反射体の前記光軸とが実質的に同一線上に位置するように、位置付けられ配向され、
前記第２の反射体は、前記第１の反射体に対して、前記第１の反射体の前記第２の焦点と前記第２の反射体の前記第２の焦点とが実質的に近傍に位置し、かつ、当該第１の反射体から反射された放射の収束線が前記第２の反射体の前記第２の焦点を通過して、前記第２の反射体によって前記第２の反射体の第１の焦点の近傍に位置する前記標的に向け直されるように、位置付けられ配向され、
前記第１および前記第２の反射体の各々は、実質的に回転楕円の面の少なくとも一部を含み、
前記第１および第２の反射体の各々は非楕円部分をさらに含む、光学装置。
【請求項３６】
単一の非カスケード式の電磁放射のソースによって射出される電磁放射を収集しこの収集された電磁放射を標的に焦点合わせする光学装置であって、
凹状回転面の一部を含む第１の反射体と、
凹状回転面の一部を含む第２の反射体と、を備え、
前記第１の反射体は、光軸と、当該光軸上の少なくとも第１の焦点と第２の焦点とを備え、
前記第１の反射体は、前記電磁放射のソースが前記第１の反射体の前記第１の焦点に位置する時、当該第１の反射体から反射して当該第１の反射体の前記第２の焦点に実質的に収束する放射を作り出し、
前記第２の反射体は、光軸と、当該光軸上の少なくとも第１の焦点と第２の焦点とを備え、
前記第２の反射体は、前記第１の反射体に対して、前記第１の反射体の前記光軸と前記第２の反射体の前記光軸とが実質的に同一線上に位置するように、位置付けられ配向され、
前記第２の反射体は、前記第１の反射体に対して、前記第１の反射体の前記第２の焦点と前記第２の反射体の前記第２の焦点とが実質的に近傍に位置し、かつ、当該第１の反射体から反射された放射の収束線が前記第２の反射体の前記第２の焦点を通過して、前記第２の反射体によって前記第２の反射体の第１の焦点の近傍に位置する前記標的に向け直されるように、位置付けられ配向され、
前記単一の電磁放射のソースは、前記装置の唯一の放射ソースであり、
前記第１および前記第２の反射体の各々は、実質的に回転環状の面の少なくとも一部を含む、光学装置。
【請求項３７】
電磁放射のソースによって射出される電磁放射を収集しこの収集された電磁放射を標的に焦点合わせする光学装置であって、
凹状回転面の一部を含む第１の反射体と、
凹状回転面の一部を含む第２の反射体と、を備え、
前記第１の反射体は、光軸と、当該光軸上の少なくとも第１の焦点と第２の焦点とを備え、
前記第１の反射体は、前記電磁放射のソースが前記第１の反射体の前記第１の焦点に位置する時、当該第１の反射体から反射して当該第１の反射体の前記第２の焦点に実質的に収束する放射を作り出し、
前記第２の反射体は、光軸と、当該光軸上の少なくとも第１の焦点と第２の焦点とを備え、
前記第２の反射体は、前記第１の反射体に対して、前記第１の反射体の前記光軸と前記第２の反射体の前記光軸とが実質的に同一線上に位置するように、位置付けられ配向され、
前記第２の反射体は、前記第１の反射体に対して、前記第１の反射体の前記第２の焦点と前記第２の反射体の前記第２の焦点とが実質的に近傍に位置し、かつ、当該第１反射体から反射された放射の収束線が前記第２の反射体の前記第２の焦点を通過して、前記第２の反射体によって前記第２の反射体の第１の焦点の近傍に位置する前記標的に向け直されるように、位置付けられ配向され、
前記第１および前記第２の反射体の各々は、実質的に回転球面の少なくとも一部を含む、光学装置。
【請求項３８】
電磁放射のソースから射出された電磁放射を収集し、収集された放射を導波路上に集束するための方法であって、
第１の反射体が、前記第１の反射体の第２の焦点で収束し、前記第１の反射体から反射される放射の光線を生成するよう、電磁放射の前記ソースを凹状回転面を含む第１の楕円反射体の第１の焦点に位置付けるステップと、
第２の楕円反射体の２の焦点が前記第１の楕円反射体の第２の焦点と実質的に近接するよう、凹状回転面を含む第２の楕円反射体を位置付けるステップとを含み、それにより、前記第１の反射体から反射された放射の収束する光線が前記第２の反射体の前記第２の焦点を通過して、前記第２の反射体によって前記第２の反射体の第１の焦点に向け直され、前記方法はさらに、
前記導波路を前記第２の反射体の第１の焦点に近接して位置付けるステップを含む、方法。
【請求項３９】
前記第１の反射体と第２の反射体とを、前記第１の反射体の光軸と前記第２の反射体の光軸とが実質的に一致するよう配向するステップをさらに含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記第１の反射体の前記凹状面は、前記ソースの倍率１が前記第１の反射体の前記第２の焦点では起こらないように構成されている、請求項３８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電磁放射を収集および集光するためのシステムに関し、特に、放射ソースから射出された放射を収集し、収集された放射を標的上に集束するための、実質的に楕円の反射体を組込んだシステムに関する。
【０００２】
【発明の背景】
光学的収集および集光システムは、白熱電球等の光源から光エネルギを受取り、その光エネルギを標的に方向付けるさまざまな光学素子、たとえば、反射体およびレンズを含む。特に、光学システムは電磁放射を収集および集光して単一ファイバまたはファイバの束等の標準導波路に光エネルギを結合するか、光エネルギを投影機のホモジナイザに出力する。光学システムに対する機能上の目的は、電磁放射の輝度（すなわち、線束密度）を標的で最大化することである。
【０００３】
光源からの光を収集および集光するための光学システムは、一般に、「軸上」または「軸外」のいずれかに分類される。軸上システムでは、反射体は光源と標的との間の光軸上に位置付けられる。図１は、結像レンズを備えた放物面反射体を用いる公知の軸上光学システムを示す。放物面反射体は、焦点から出る光エネルギが実質的にコリメートされて光軸と平行に進行するという特徴を有する。図１の光学システムは、光源からの光をコリメートするために、光源を焦点に位置付けることにより、放物面反射体のこの特徴を利用している。光の流れの内に位置付けられた集光レンズは実質的にコリメートされた光エネルギを受取り、その光エネルギを標的に向け直す。このようにして、光エネルギは標的で収集および集光される。放物面反射体の使用により、さらに、さまざまな種類の光フィルタを用いて光学システムの性能および耐久性を改善することができる。しかしながら、光の発散度は反射体に沿って連続的に変化し、光軸付近を進行する光線は最大の発散度を有する。その結果、システムの倍率は光源から射出された光が取る異なった経路に沿って変化し、システムの輝度の低下を生じる。さらに、集束レンズは完璧な条件下であっても歪んだ像を生成し、実際の動作のもとでは、典型的に、大きさな収差を有する像を生成して、標的で事実上像を拡大して線束密度を低下させる。
【０００４】
図２は別の公知の軸上光学システムを示す。このシステムは、楕円反射体を用い、これは１つの焦点から出るすべての光が第２の焦点に方向付けられるという特徴を有する。図２の光学システムは、光源が第１の焦点に置かれ、標的が第２の焦点に置かれた楕円反射体を用いる。前のシステムのように、この軸上楕円システムは、光の反射度が反射体に沿って絶えず変化し、光軸付近を進行する光線が最大の発散度を有することによって生じる、輝度の低下を被る。
【０００５】
全体的に、軸上システムは、一般に、結合の際に輝度を損失し、したがって、光学的照明および投影システムの全体効率を低下させる、根本的な限界を被る。特に、公知の軸上システムにおいて反射された光線の発散度は、不本意ながら放射ソースからの射出角度に依存する。加えて、軸上システムの出力は実質的に円形で対称的であり、したがって、投影機で用いるための矩形のホモジナイザ等の非円形標的には適さない場合がある。
【０００６】
軸外光学収集システムでは、反射体は光源と標的との間の光軸から外れて位置付けられる。たとえば、図３は、光源が逆反射体の焦点に位置付けられ、標的が主反射体の焦点上に位置付けられるが、これらの反射体が光源と標的との間の光軸から外して位置付けられる光学システムを示す。示された光学システムでは、光源からの光エネルギが逆反射体から反射して主反射体に進行する。次に、光エネルギは主反射体から反射して標的に収束する。
【０００７】
図３の軸外システムでは、システムの開口数が小さい場合、倍率は光のすべての角度に対して１：１に極めて近い。システムがより大きな開口数を有する鏡を用いる（たとえば、同じ光源からより多くの光エネルギを収集しようとする）場合、より大きな角度の光線が高い発散角度で反射され、倍率は１：１から離れる。再び、この倍率は標的での輝度を減じ、光学システムの性能を全体的に低下させる。倍率の偏差は鏡の大きさ、曲率半径、およびアーク灯と標的との距離に依存する。したがって、図３の軸外構成は、より小さな開口数を用いる適用例に一層適する。
【０００８】
異なった軸外光学システムもまた公知である。たとえば、米国特許第４，７５７，４３１号（「’４３１号特許」）は、小さな標的を照明する最大線束密度とその小さな標的によって収集可能な線束密度の量とを高める軸外凹球面反射体を用いた集光および収集システムを提供する。’４３１号特許の光学システムに対する改良は、軸外凹面反射体が楕円である米国特許第５，４１４，６００号（「’６００号特許」）と、軸外凹面反射体が環状である米国特許第５，４３０，６３４号（「’６３４号特許」）とによってもたらされる。’６３４号特許に記載される環状システムは非点収差を補正しており、’６００号特許の楕円システムは’４３１号特許の球面反射体よりも正確な結合をもたらすが、これらのシステムの各々は強く湾曲した反射面上への光学被覆の適用を必要とし、これは比較的高価であって均一の厚さで適用することが難しい。
【０００９】
全体に、公知の軸外光学システムは、光源の一般に１：１に近い（すなわち、倍率の制約を受けない）像を標的にもたらし、輝度を保持する。しかしながら、この公知の軸外システムでは、反射体の集束角が大きくなることによって収集される光の量が増大するにつれ、倍率が１：１から離れる。したがって、光源からの光エネルギのより多くの部分が光強度を上げるために収集され、光学システムの全体性能が低下する。
【００１０】
公知の光学収集および集光システムの課題に取組むために、米国特許出願連続番号第０９／６０４，９２１号は、小さなサイズの光源に対してほぼ１：１の倍率の達成を含む、多くの点で他の公知のシステムに有利な、軸上双対放物面反射体システムを提供する。この光学収集および集光システムは、図４に示されるとおり、第１の反射体から反射される光が第２の反射体の対応する部分で受取られるよう位置付けられた、一般に対称的な２つの放物面反射体を用いる。特に、光源から射出された光は第１の放物面反射体によって収集され、光軸に沿って第２の反射体に向けコリメートされる。第２の反射体はコリメートされた光線を受取り、この光を焦点に位置付けられた標的で集束する。
【００１１】
この光学システムの説明を容易にするために、図４は光源から射出された３つの異なる光線（ａ、ｂ、およびｃ）に対する光路を含む。光線ａは第１の放物面反射体と交差する前に比較的短い距離を進行するが、光線ａの第１の放物面反射体での発散度は比較的大きい。対照的に、光線ｃは光源と第１の放物面反射体との間をより長く進行するが、第１の反射体でより小さな相対発散度を有する。光線ｂは光線ａとｃとの間に位置付けられ、第１の放物面反射体と交差する前に中間の距離を進行し、中間の発散度を有する。この光学システムでは、２つの放物面反射体の対称性により、光線ａ、ｂ、およびｃは、第２の放物面反射体と標的との間の各光線に対する距離が光源と第１の放物面反射体との間の距離と同じになるよう、第２の放物面反射体の対応する位置で反射される。このようにして、第２の反射体は発散度を補正する。したがって、この光学システムは、ほぼ１：１の倍率で光源からの光エネルギを収集および集光し、光源の輝度を保持する。
【００１２】
図４の光学システムはさらに、第１の放物面反射体とともに逆反射体を用い、ソースによって第１の放物面反射体から離れる方向に射出される放射を捕らえ、捕らえた放射を再びソースを通して反射することができる。特に、逆反射体は、光源に実質的に近接して（すなわち、第１の放物面反射体の焦点に）置かれた焦点を備えた、一般に球面の形状を第１の放物面反射体に向けて有し、それにより、そこから反射されるコリメートされた光線の強度を高める。
【００１３】
上述の軸上双対放物面光学システムの１つの欠点は、光源が反射体の頂点側に極めて近いことによって生じる。その結果、このシステムは光源付近で（すなわち、光線ａと同様の経路に沿って）大きな発散角を生じる。特に、大きな発散角により、光線ａと同様の経路に沿って進行する光エネルギが第２の放物面反射体上の比較的より大きな領域を巡り、したがって、所望しない収差と輝度の損失とを生じる。
【００１４】
公知の光学収集および集光システムにおけるこれらの欠点を考慮し、小さなソースからの光を照明および投影システムに結合する、改良された方法およびシステムに対する当面の必要性がある。
【００１５】
【発明の概要】
上で特定された必要性に応え、この発明は、改良された光学的収集および集光システムを提供する。電磁放射を収集および集光するための改良されたシステムは、対向する反射体を用い、ソースの像と標的で集束された像との間で倍率１（unit magnification）、またはほぼ倍率１を達成し、それにより、標的で最大の集束強度を生じる。特に、この発明は電磁放射のソースからの電磁放射を収集し、この収集した放射を、ソースによって射出された電磁放射の少なくとも一部で照明されるべき標的上に集束するための光学装置に向けられる。この装置は、第１および第２の反射体を含み、各反射体は一般に回転楕円面の少なくとも一部を含み、光軸と、光軸上に２つの焦点とを有する。第１の反射体の焦点のうちの１つに近接して置かれた光源は、第１の反射体の第２の焦点で収束する放射光線を生成する。第２の反射体は、第１の反射体に関し、第１の反射体から反射された放射光線が第２の反射体の焦点の１つで収束するよう位置付けられ配向される。次に、放射光線は続いて第２の反射体によって反射され、第２の反射体の第２の焦点に近接して置かれる標的に向けて集束される。第１の反射体と第２の反射体とは実質的に同じ大きさおよび形状を有し、第１の反射体の表面部分によって反射された放射光線の各々が第２の反射体の対応する表面部分によって標的に反射され、倍率１を達成するよう、それぞれに関して光学的にほぼ対称に配向され得る。
【００１６】
逆反射体を第１の反射体とともに用い、ソースによって第１の反射体から離れる方向に射出された放射を捕らえ、捕らえた放射をソースを通して（すなわち、第１の反射体の第１の焦点を通して）第１の反射体に反射し、それにより、そこから反射された光線の強度を高めることができる。
【００１７】
第１および第２の反射体の形状は、システムの必要性に応じて楕円から離れてよい。同様に、第１および第２の反射体は、楕円に近似する環状または球面形状を有してよい。
【００１８】
この発明の実施例は、添付の図面を参照して説明される。さまざまな図面において同様の構成要素または特徴は同じ参照番号によって示される。
【００１９】
【実施例の詳細な説明】
図面を参照してこの発明の実施例をここに説明する。これらの実施例は発明の原理を示しており、発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
【００２０】
この発明の代表的な好ましい実施例が示される図５−図６を参照すると、この発明は以下の４つの主構成要素と関連する。
【００２１】
１．電磁ソース
電磁ソース１０は、好ましくは、エンベロープ１２を有する光源である。最も好ましくは、ソース１０はキセノン灯、ハロゲン化金属灯、ＨＩＤ灯、または水銀灯等のアーク灯を含む。以下により詳細に説明するように、或る適用例に対して、このシステムがランプの不透明でないフィラメントを収容するよう変更されていれば、ハロゲン灯等のフィラメント灯を用いることができる。しかしながら、標的と同様の大きさまたはそれより小さな電磁放射ソースであれば、いかなるものを用いてもよい（たとえば、ファイバ、フィラメント灯、ガス放電灯、レーザ、ＬＥＤ、半導体等）。
【００２２】
この明細書において電磁ソースの大きさは、ソースの輝度（線束密度を角度範囲で割ったもの）を特徴付ける強度等高線地図の、１／ｅの強度によってよりよく規定される。輝度はアークギャップの大きさに関連し、結合効率の理論的な限界を決定する。アーク灯の特定の場合では、等高線はほぼ軸対称となり、電力定格、電極設計および構成、ガス圧、アークギャップの大きさ、ならびにガス成分の複雑な関数である。非球面の湾曲したエンベロープを有するアーク灯の特定の場合では、反射体によって結像されたソースの有効な相対位置および強度分配は収差を被る。このことは、本質的にレンズとして機能し、補正光学素子を必要とするエンベロープの形状によって生じる。光学補正は、エンベロープによって生じる非点収差を補正するよう反射体の設計を変更すること、または補正光学素子をソースと標的との間に挿入することのいずれかによって達成され得る。加えて、エンベロープに光学被覆を施して、フレネル（Fresnel）反射を最小にし、それによって標的で収集可能な放射を最大化するか、放射線束を制御および／またはフィルタすることができる。
【００２３】
２．第１の楕円反射体
第１の楕円反射体２０は、好ましくは、光軸２２と焦点２４および２６とを有する回転楕円面の一部を含む。第１の楕円反射体２０は、好ましくは、反射被覆２８（アルミニウムまたは銀等）を有し、表面が高度に研磨される。用途によっては、第１の楕円反射体２０は波長選択多層誘電体被覆で被覆されたガラスで形成され得る。たとえば、被覆２８は、可視光の適用で用いるための可視波長においてのみ高い反射率を備えた冷間被覆であってよい。ソース１０が第１の楕円反射体の第１の焦点２４に置かれ、反射体２０と接触する電磁放射は反射体２０の第２の焦点２６で収束するエネルギの光線として反射される。ソース２０がアーク灯である場合、アークギャップは、好ましくは、第１の楕円反射体２０の焦点距離に比べ小さい。
【００２４】
３．第２の楕円反射体
第２の楕円反射体３０は、好ましくは、光軸３２と焦点３４および３６とを有する回転楕円面の一部を含む。第２の反射体３０もまた、光エネルギを選択的に反射するよう、上で述べたとおり、被覆３８を有し得る。第２の楕円反射体３０は第１の反射体２０と異なっていてよいが、好ましくは、第１の反射体２０と実質的に同じ大きさであり、実質的に同じ形状である。
【００２５】
第２の楕円反射体３０は、第１の楕円反射体２０に反射された電磁放射が第２の楕円反射体３０の第２の焦点３６で収束するよう位置付けられ、配向される。放射は続いて第２の楕円反射体３０の表面に当たり、その後、第２の楕円反射体３０の第１の焦点３４に集束される。第１の楕円反射体２０と第２の楕円反射体３０との間に倍率１（すなわち、ソースと実質的に同じ大きさの集束された像）を達成するために、第１の楕円反射体２０の表面部分によって反射されて集束された電磁放射の各光線が第２の楕円反射体３０の対応する表面部分によって反射されて集束され、第１の焦点３４において可能な最大の輝度を有する焦点を得ることが重要である。この開示の文脈では、第１の楕円反射体２０の表面部分によってコリメートされた電磁放射の各光線が第２の楕円反射体３０の対応する表面部分に集束されるよう、第１の楕円反射体２０と第２の楕円反射体３０とを互いに配向し、位置付けることを、これらの反射体を互いに「光学的対称」に位置付けると言う。
【００２６】
４．標的
標的５０は可能な最高の強度での照明を必要とする小さな物体である。好ましい実施例では、標的５０は、図６に示されるように、単芯光ファイバ、溶融された光ファイバの束、ファイバの束等の導波路である。標的の入力端（例えば光ファイバの基端）は第２の楕円反射体３０の第１の焦点３４に位置付けられ、第２の楕円反射体３０によって反射された電磁放射の集束された光線を受取る。
【００２７】
この発明の光学的収集および集光システムが像の照明または投影のための適用例に用いられる場合、出力がより均一になるよう、出力強度プロファイルを標的で均質化する必要がある。たとえば、内視鏡等の医療処置中の照明のために、均一な照明を得て、医師が照明の中央部および周辺部にある領域を等しく明らかに観察できることが望ましい。光ファイバを用いた照明の場合、均一な強度により、熱点による損傷を受けずにより高い出力を特定の光ファイバ構成に結合させることができる。投影機の場合、均一な強度は画面での均一な強度プロファイルを生成するのに必要とされるであろう。特に、表示された像の中央部および周辺部に均等なレベルの照明を与えることが、映像美に対しては望ましい。
【００２８】
したがって、標的は、図５に示されるように、出力強度プロファイルを調節するホモジナイザであってよい。導波路は、図７Ａ−７Ｆに示されるように、断面が多角形（四角形、矩形、三角形等）であってよく、または、図７Ｇ−７Ｈで示されるように、断面が曲線的（円形、楕円形等）であってよい。
【００２９】
開口数および大きさに関する出力要件に依存して、ホモジナイザを小さなサイズから大きなサイズへ、またはその反対にテーパーすることができる。したがって、標的５０は図７Ｉで示されるような先太テーパー導波路であり得るか、図７Ｊで示されるような先細テーパー導波路であり得る。このようにして、ホモジナイザは照明の出力の形状を変化させることができる。たとえば、像源６０が、集光レンズ８０と投影レンズ９０とを通る、標的５０の出力の流れに置かれ、投影像７０を形成する投影機ディスプレイにおいて、ホモジナイザの理想的な出力は表示のフォーマットに依存して、幅と高さとの比率が４：３か１６：９、または他の比率の矩形であろう。しかしながら、円形の投影レンズ９０を光学システムとともに効率的に使用できるよう、両方向の照明放射の角度は同様であるべきである。
【００３０】
標的およびソースはこの発明の収集および集光システムと緊密に関連しているが、そのより広い局面に従い、この発明は、１つの焦点を共有するよう配置された（すなわち、第１の反射体２０の第２の焦点２６と第２の反射体３０の第２の焦点３６とが実質的に同一の位置に置かれた）、実質的に同じ大きさおよび形状の２つの反射体の使用に関する。
【００３１】
図５−図６に示される構成において、収集および集光システムの説明を続けると、第１の楕円反射体２０と第２の楕円反射体３０とは、互いに凹面となるように互いに対向して向かい合った関係に位置付けられる。図５−図６の構成では、第１の楕円反射体２０と第２の楕円反射体３０とをそれらのそれぞれの光軸２２と３２とが同一線にあるよう配置し、さらに、第１の楕円反射体２０の反射面が第２の楕円反射体３０の対応する反射面と対向して向かい合うよう配置して倍率１を達成することによって光学的対称が達成される。
【００３２】
図５−図６では、３つの光線ａ、ｂ、およびｃは、ソース１０によって生成された電磁放射に対し、異なる可能な経路を考慮した反射体の機能を示すよう、描かれている。図５−図６において、光線ａ、ｂ、およびｃは、この光学システムの、収差を減少させる有効性を示すよう、図４と実質的に同じ位置にある。光源１０から射出された光線ａ、ｂ、およびｃの各々は、ソース１０から異なる距離にある異なる地点で第１の楕円反射体２０に当たる。しかしながら、光線ａ、ｂ、およびｃの各々はまた、第２の楕円反射体３０の対応する位置から標的５０上に集束され、したがって、３つの光線に対して１：１の倍率を生じる。
【００３３】
上で述べたように、光線ａはソース１０と第１の楕円反射体２０とから最短の距離を有し、結果的に、光線ｂおよびｃと比べより大きな発度散を生じる。この発明の光学システムでは、光源からの放射は第１の楕円反射体２０の第１の焦点２４から第２の焦点２６に集束される。その結果、放射がソース１０から進行した距離は、光線ａ等の高い角度で射出された放射の距離でさえも、放物面反射体を用いた図４のシステムの対応する距離よりも比較的長い。距離が長くなるほど収差の量は減る。なぜなら、光線ａ、ｂ、およびｃの距離は今や比較的より均一であるからである。
【００３４】
収差をさらに減少させるために、図６は第１の楕円反射体２０’と第２の楕円反射体３０’とがより大きな偏心を有する（すなわち、第１および第２の楕円反射体がより円形である）、この発明の別の実施例を示す。この実施例では、第１の楕円反射体２０’と第２の楕円反射体３０’とのより強い湾曲の結果、第１の楕円反射体２０’の第１の焦点２４’と第２の楕円反射体３０’の第１の焦点３４’との間の距離が減少する。同時に、楕円反射体２０’および３０’のより強い湾曲は、第１の楕円反射体２０’とその第１の焦点２４’との間の光線ａに沿った距離を増大させる。同様に、第２の楕円反射体３０’とその第１の焦点３４’との間の、光線ａに沿った対応する距離を増大させる。その結果、放射ソース１０’と第１の反射体２０’との間で図６の光線ａ、ｂ、およびｃが進行する距離（加えて、ソース１０’と標的５０’との間の総距離）は、図５の実施例と比べ、比較的より均一になる。この特徴により、光軸２２’付近を進行する電磁エネルギ、たとえば、光線ａと同様の経路を進行するエネルギでさえも、光源と標的との間で収差の発生を一段と減らすことができる。
【００３５】
図５および図６で同じ光線ｃの経路を比較することにより、図６の実施例は楕円のより大きな部分を占める反射体２０’と３０’とを用い、ソース１０からの同じ角度の出力放射を収集することがわかる。しかしながら、図６の反射体２０’および３０’は図５の反射体２０’および３０’とほぼ同じ直径を有する。
【００３６】
図５および図６で示されるように、この発明の収集および集光システムは、逆反射体４０の使用を組込むことができ、示された実施例では、逆反射体は球面逆反射体である。逆反射体４０は、その他の態様では第１の楕円反射体２０に当たることのない、ソース１０によって射出された電磁放射を捕らえるよう位置付けられる。より特定的には、球面逆反射体４０は、第１の楕円反射体２０から離れる方向にソース１０によって射出された放射が逆反射体４０に反射されて第１の楕円反射体２０の第１の焦点２４を再び通り、その後、第１の楕円反射体２０に向かうよう構成され、配置される。第１の楕円反射体２０によって反射されたこのさらなる放射は、ソース１０から直接第１の楕円反射体２０に当たる放射に加えられ、それにより、第２の楕円反射体３０に反射される放射の強度を高める。したがって、第２の楕円反射体３０の第１の焦点３４での放射の強度もまた高まる。
【００３７】
フィラメント灯がソース１０として用いられる場合、逆反射体は、第１の楕円反射体２０の第１の焦点２４を通って放射を再び集束するよう配向することはできない。なぜなら、逆反射された放射は第１の焦点２４に置かれた不透明なフィラメントによって遮られるからである。この場合、逆反射体４０の位置は、逆反射された放射が第１の焦点２４を正確に通過するのではなく、その付近を通るように調整されるべきである。
【００３８】
いくつかの異なった逆反射体４０が公知であり、この発明で用いられてよいことが認識されるべきである。たとえば、球面逆反射体４０の代わりとして、ソース１０のアークサイズのオーダの大きさまたはそれより小さいユニット要素を備えた２次元コーナーキューブアレイ（図示せず）により、逆反射機能を果たすことができる。２次元コーナーキューブアレイを用いることにより、逆反射体を正確に位置付ける必要がなくなり、ソース１０のアークで一層緊密な焦点を生成する。
【００３９】
上述の実施例は楕円形状を有する第１および第２の反射体を備えた構成を記載しているが、第１の反射体２０および第２の反射体３０は理想的な幾何学状の楕円形状とわずかに異なる形状を用いて近似されてよいことが、この発明で公知であり、期待されているとさらに認識されるべきである。たとえば、第１の反射体２０と第２の反射体３０とはさまざまなパラメータ、たとえば、バルブエンベロープ、フィルタ等を補正する、変更された楕円形状を有してよい。この場合、一般的に楕円の反射体２０および３０の形状との差は小さいと考えられ、最終出力は最適なものとわずかに異なっているかもしれない。反射体の形状の差を導入して、反射体２０および３０のコストを下げるか、特定の灯の種類およびアークの形状に対する性能を上げることもできる。たとえば、楕円反射体２０および３０は（２つの直交する等しくない曲率半径を有する）環状反射体または球面反射体に近似されることが可能であり、それらは比較的より低いコストで製造可能である。非楕円の反射体を用いる場合、出力の結合は最適でないかもしれないが、第１の反射体２０および第２の反射体３０にかかる費用の低下を考えれば、効率の低い結合による損失も妥当なものであろう。
【００４０】
この発明のいくつかの例を次に提供する。これらの例はこの発明のいくつかの可能な実現化例を示すことを意図したものであって、この発明の範囲を限定することを意図したものではない。
【００４１】
例
この発明に従った例としての光学システムの第１の対は、１００ワットのオーダの低ワット数の灯を光源として用いる。図５の実施例に従った反射システムでは、第１および第２の反射体の各々は２．５インチの直径を有し、ソースと標的との間の分離（すなわち、焦点間の距離）は約５インチである。図６に示された実施例に従った、より大きな偏心を有する低ワット数の反射システムは、同様の大きさの第１および第２の反射体を用い、その各々は約２．５インチの直径を有するが、ソースと標的との間の距離は約２インチである。
【００４２】
より高いワット数の適用例において、光学システムは、より高い電磁放射レベルの望ましい収集をもたらすよう、さらに、潜在的により大きな灯を収容するよう、比較的大きなものとなる。たとえば、図５の構成で５，０００ワットのオーダの高ワット数の灯を用いる場合、主反射体の各々は２０インチの直径を有し、ソースと標的との間の分離は約４０インチである。上で述べたとおり、図６の実施例は同様の大きさの主反射体を用いるが、結果として、ソースと標的との間の距離は減少する。たとえば、図６の実施例に従った、例としての高ワット数の光学システムもまた、約２０インチの直径を備えた第１および第２の反射体を用いるが、ソースと標的との間の距離は１６インチである。
【００４３】
結論
これまで説明してきた発明では、この発明の精神および範囲から逸脱することなく同じものが多くの方法で変更されてよいことが当業者に明らかであろう。このような変更の一部およびすべては前掲の請求項の範囲内に含まれるよう意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  放物面反射体および集束レンズを用いる公知の軸上集光収集光学システムの断面を示す概略図である。
【図２】  楕円反射体を用いる公知の軸上集光収集光学システムの断面を示す概略図である。
【図３】  公知の軸外集光収集光学システムの断面を示す概略図である。
【図４】  ２つの放物面反射体を用いる公知の軸上集光収集光学システムの断面を示す概略図である。
【図５】  この発明の一実施例に従った、２つの楕円反射体を用いる軸外集光収集光学システムの断面を示す概略図である。
【図６】  この発明の代替的実施例に従った、より大きな偏心を有する２つの反射体を用いる集光収集光学システムの断面を示す概略図である。
【図７】  Ａ−Ｊはこの発明の実施例で用いてよい、複数の導波路標的の断面概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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