최적화된 배율을 갖는 이중 포물면 반사기 및 이중 타원면반사기 시스템 document_id A220623107163

단일 섬유 또는 섬유 다발과 같은 도파관 내로 전자기 방사를 또는 프로젝터(projector)의 균질화기(homogenizer)로의 출력을 수집하고, 집광하며 커플링 시키는 시스템에 대한 기능적인 목적은 타깃에서 전자기 방사의 휘도를 최대화시키는 것(즉, 플럭스 강도를 최대화시키는 것)이다. 종래 기술은 구면, 타원면 및 포물면 반사기를 포함하는 소위 축상(on-axis) 반사기 시스템과, 구면, 환상면(toroide) 및 타원면 반사기를 포함하는 비축상(off-axis) 반사기 시스템의 사용을 개시한다. 타깃이 전자기 방사원의 아크 간격의 크기와 유사한 치수(dimension)를 갖는 경우, 비축상 반사기 시스템은 축상 반사기 시스템보다 타깃에서 더 높은 효율과 휘도를 달성하며, 그에 따라 광섬유 타깃에 의해 수집될 수 있는 광량을 최대화시킨다. 전자기 방사원의 아크 간격보다 훨씬 큰 치수를 갖는 타깃인 경우에, 축상 반사기 시스템과 비축상 반사기 시스템은 모두 방사원으로부터 도파관으로의 방사를 수집하고 집광하며 커플링하는 데 효율적이다. 광학적 수집 및 집광 시스템은 광 전구와 같은 광원으로부터 광 에너지를 수광하여 광 에너지를 타깃 쪽으로 향하게 하는 반사기 및 렌즈와 같은 다양한 광학적 요소를 포함한다. 특히, 광학 시스템은 단일 섬유 또는 섬유 다발과 같은 표준 도파관으로 광 에너지를 커플링 시키거나 프로젝터의 균질화기로 광 에너지를 출력하기 위해 전자기 방사를 수집 및 집광시킨다. 광학 시스템의 기능적인 목적은 타깃에서 전자기 방사의 휘도(즉, 플럭스 강도)를 최대화시키는 것이다. 광원으로부터 광을 수집 및 집광하는 광학 시스템은 대체로 "축상" 또는 "비축상"으로 분류된다. 축상 시스템에서, 반사기는 광원과 타깃 사이의 광축 상에 위치된다. 도1은 촬상 렌즈와 함께 포물면 반사기를 사용하는 공지된 축상 광학 시스템을 도시한다. 포물면 반사기는 초점으로부터 발산하는 광 에너지가 광축에 평행하게 진행하도록 사실상 시준되는 특징을 갖는다. 도1의 광학 시스템은 광원으로부터의 광을 시준하기 위해 초점에 광원을 위치시킴으로써 포물면 반사기의 이러한 특징을 사용한다. 광학 스트림(stream) 내에 위치된 집광 렌즈는 사실상 시준된 광 에너지를 수광하고 광 에너지를 타깃 쪽으로 다시 향하게(redirect) 한다. 이런 방식으로, 광 에너지는 타깃에 수집 및 집광된다. 포물면 반사기의 사용은 광학 시스템의 성능 및 내구성을 개선하도록 다양한 유형의 광학 필터를 사용하는 것을 추가적으로 허용한다. 그러나 광선이 최대 발산도를 갖는 광축 근처로 진행하는 상태에서, 광의 발산도는 반사기를 따라 연속적으로 변화한다. 그 결과, 시스템의 배율은 광원으로부터 방출된 광에 의해 취해진 상이한 경로를 따라 변화하며, 시스템의 휘도의 저하를 초래한다. 더욱이, 집속 렌즈는 심지어 완전한 조건에서조차도 왜곡된 화상을 생성하며, 실제 동작 시에는 실제로 화상 크기를 증가시켜 타깃에서 플럭스 강도를 감소시키는 부정확하게 수차된(aberrated) 화상을 통상 생성한다. 도2는 또 다른 공지된 축상 광학 시스템을 도시한다. 이러한 시스템은 타원면 반사기를 사용하며, 타원면 반사기는 하나의 초점으로부터 발산된 모든 광이 제2 초점으로 향하는 특징을 갖는다. 도2의 광학 시스템은 광원이 제1 초점에 위치되고 타깃이 제2 초점에 위치된 타원면 반사기를 사용한다. 이전의 시스템에서와 같이, 광선이 최대 발산도를 갖는 광축 근처로 진행하는 상태에서, 축상 타원면 시스템은 광의 발산도가 반사기를 따라 연속적으로 변화하기 때문에 야기된 휘도 저하를 겪는다. 전체적으로, 축상 시스템은 대체로 커플링 시 휘도가 손상되는 기본적인 한계를 가지며, 그에 따라 광학 조명 및 프로젝션 시스템의 전체적인 효율을 저하한다. 특히, 공지된 축상 시스템에서 반사 빔의 발산은 바람직하지 않게도 방사원으로부터의 방출각에 따라 달라진다. 또한, 축상 시스템의 출력은 사실상 원형이고 대칭적이어서, 프로젝션에 사용되는 직사각형 균질화기와 같은 비원형 타깃에 대해 적절하지 않을 수 있다. 비축상 광학 수집 시스템에서, 반사기는 광원과 타깃 사이에서 광축으로부터 벗어나서 위치된다. 예를 들어, 도3은 광원이 역반사기(retro-reflector)의 초점에 위치되고 타깃이 주 반사기의 초점에 위치되지만, 이들 반사기들이 광원과 타깃 사이에서 광축으로부터 벗어나서 위치되는 광학 시스템을 도시한다. 도시된 광학 시스템에서, 광원으로부터의 광 에너지는 역반사기로부터 반사되며 주 반사기로 진행된다. 그런 다음, 광학 에너지는 주 반사기로부터 반사되고 타깃에 집광된다. 도3의 비축상 시스템에서, 시스템의 개구수가 작을 때 광의 모든 각도에 대하여 배율은 1 대 1(1- to -1)에 매우 가깝다. 시스템이 더 큰 개구수를 갖는 미러를 사용하면(예를 들어, 동일한 광원으로부터 보다 많은 광 에너지를 수집하려고 할 때), 더 큰 각도의 광선이 큰 발산각으로 반사되어, 배율이 1 대 1에서 편차를 갖게된다. 다시, 배율은 타깃에서 휘도를 감소시키며 광학 시스템의 성능을 전체적으로 저하한다. 배율의 편차량은 미러의 크기, 곡률 반경 및 아크 램프와 타깃의 간격(separation)에 따라 달라진다. 따라서, 도3의 비축상 구성은 더 작은 개구수를 사용하는 응용예인 경우에 더 적절할 수 있다. 다른 비축상 광학 시스템도 공지되어 있다. 예를 들어, 미국 특허 제4,757,431호("'431 특허")는 작은 타깃을 조명하는 최대 플럭스 강도와 작은 타깃에 의해 수집 가능한 플럭스 밀도의 양을 개선하는 비축상 구면 오목 반사기를 이용한 집광 및 수집 시스템을 제공한다. '431 특허의 광학 시스템에 대한 개선책은 비축상 오목 반사기가 타원면인 미국 특허 제5,414,600호("'600 특허")와 비축상 오목 반사기가 환상면인 미국 특허 제5,430,634호("'634 특허")에 의해 제공된다. '634 특허에 기재된 환상면 시스템이 비점수차를 보정하고 '600 특허의 타원면 시스템이 '431 특허의 구면 반사기보다 더 정확한 커플링을 제공하지만, 이들 시스템 각각은 균일한 두께로 도포하는 것이 상대적으로 비싸고 어려운, 고도로 곡면화된 반사 표면상으로의 광학 코팅의 도포를 필요로 한다. 전반적으로, 공지된 비축상 광학 시스템은 타깃에서 광원의 대체로 거의 1 대 1인 (즉, 배율이 없는) 화상을 제공하며, 휘도를 보존한다. 그러나 공지된 비축상 시스템에서, 반사기의 수집각을 증가시킴으로써 수집된 광량이 증가됨에 따라 배율은 1 대 1로부터 편차를 갖게 된다. 따라서, 광 강도를 증가시키기 위해 광원으로부터의 광 에너지의 더 많은 부분이 수집될 때, 광학 시스템의 전체적인 성능은 저하된다. 공지된 광학 수집 및 집광 시스템에서의 문제를 해결하기 위해, 미국 특허 제6,672,740호는 작은 크기의 광원에 대한 거의 1 대 1 배율을 달성하는 것을 비롯하여 다른 공지된 시스템에 비해 여러 가지 측면에서 장점이 있는 축상 이중 포물면 반사기 시스템을 제공한다. 도4에 도시된 바와 같이, 이러한 광학 수집 및 집광 시스템은 제1 반사기로부터 반사된 광이 제2 반사기의 상응하는 부분에 수광되도록 위치된 두 개의 대체로 대칭인 포물면 반사기를 사용한다. 특히, 광원으로부터 방출된 광은 제1 포물면 반사기에 의해 수집되며 광축을 따라 제2 반사기 쪽으로 시준된다. 제2 반사기는 시준된 광 빔을 수광하며 초점에 위치된 타깃에 이러한 광을 집속시킨다. 이러한 광학 시스템의 설명을 용이하게 하기 위해, 도4는 광원으로부터 방출된 세 개의 상이한 광선 a, b 및 c에 대한 광 경로를 포함한다. 광선 a는 제1 포물면 반사기를 가로지르기 전에 상대적으로 작은 거리를 진행하지만, 제1 포물면 반사기에서 광선 a의 발산도는 상대적으로 크다. 이와 대조적으로, 광선 c는 광원과 제1 포물면 반사기 사이에서 더 멀리 진행하지만, 제1 포물면 반사기에서 더 작은 상대 발산도를 갖는다. 광선 a와 광선 c 사이에 위치된 광선 b는 제1 포물면 반사기를 가로지르기 전에 중간 정도의 거리를 진행하며, 중간 정도의 발산도를 갖는다. 이러한 광학 시스템에서, 두 개의 포물면 반사기의 대칭성 때문에, 각각의 광선에 대해 제2 포물면 반사기와 타깃 사이의 거리가 광원과 제1 포물면 반사기 사이에서의 거리와 동일하도록, 광선 a, b 및 c는 제2 포물면 반사기 내의 상응하는 위치에서 반사된다. 이러한 방식으로, 제2 반사기는 발산도를 보상한다. 결과적으로, 광학 시스템은 거의 1 대 1 배율을 가지면서 광원으로부터 광 에너지를 수집 및 집광하며, 광원의 휘도를 유지한다. 도4의 광학 시스템은 제1 포물면 반사기로부터 멀어지는 방향으로 광원에 의해 방출된 방사를 포획하며 포획된 방사를 광원을 통해 재반사시키기 위해 제1 포물면 반사기와 함께 역반사기(retro-reflector)를 더 이용할 수 있다. 특히, 역반사기는 초점이 제1 포물면 반사기 쪽으로 사실상 광원 근처에 (즉, 제1 포물면 반사기의 초점에) 위치된 대체로 구면인 형상을 가지며, 그에 따라 제1 반사기로부터 반사되는 시준된 빔의 강도를 증가시킨다. 광원이 전술한 축상 이중 포물면 광학 시스템에서 반사기의 정점 측에 매우 근접하기 때문에 축상 이중 포물면 광학 시스템이 생겼으므로, 시스템은 광원 근처에서 (즉, 광선 a와 유사한 경로를 따라) 큰 발산각을 생성한다. 특히, 큰 발산각은 광선 a와 유사한 경로를 따라 진행하는 광 에너지가 제2 포물면 반사기 상에 상대적으로 큰 영역을 일주(compass)하며, 따라서 원하지 않는 수차와 휘도 손실을 일으킨다. 그러나 이들 참조 문헌 중 어느 것도, 타깃에서 최소 왜곡을 가지면서 최대 플럭스 강도를 얻기 위해 큰 발산 각도를 다루면서 광원과 집속 화상 사이의 배율을 최적화하는 시스템을 기술하지는 않는다. 그러므로, 타깃에서 집속된 방사 빔의 플럭스 강도를 최대화시키는 비대칭 포물면 반사기를 사용하여 전자기 방사를 수집하고 집중시키는 방법을 제공할 필요가 여전히 남아 있다.