聚焦光源和方法

2023-08-08 23:25:21

專利名稱：聚焦光源和方法
技術領域：
本發明涉及特別適合於照明光纖的光源，更具體地說涉及一種包括弧光放電燈和反射器的裝置，該反射器可在光源和光纖之間有效地傳遞可見光輻射而抑制紫外和紅外線輻射。
本申請的內容涉及1987年11月17日由George K.Awai提交的申請序號為121，906的題為「冷光裝置和方法」申請的內容，現為美國專利第4，825，341號;並涉及1988年10月31日由George K.Awai提交的申請序號為264，788號的題為「冷光裝置和方法」申請的內容。
許多纖維光學照明應用需要一種光源能發射光通量進入光纖，以便以低階模的形式沿光纖長度方向長距離傳導，或者以高階模形式用於例如通過光纖側面橫向發射。前種應用一般使用玻璃光纖，而後種應用一般使用塑料光纖。對於塑料光纖，由於位於可見光譜兩端的輻射對塑料光纖材料的有害作用，務必注意使伴隨可見照明的熱量的紫外線輻射為最小。另外，理想的用於照明光纖的光源應該將所有的可見光通量的輸出傳送到光纖的一端所在的焦點以便以最大效率將光通量傳入光纖。
根據本發明，一種使可見光通量傳入光纖的傳輸最優的改進光源和方法包括一個位於橢球面反射鏡內的高強度氣體放電燈，該橢球面反射鏡塗有波長選擇性塗層以增強將可見光通量傳輸到焦點或小焦點區，而使從燈傳送到焦點的熱量和紫外線通量最小。已認識到典型的金屬蒸汽氣體放電燈的輻射模式特性，並用其來增大將可見光通量從燈輸入光纖的傳輸效率。


圖1是典型的高強度金屬蒸汽氣體放電燈的平面圖;
圖2是圖1中燈的端視圖;
圖3是用於圖1中燈的反射鏡外殼的截面圖;
圖4是圖示圖3和5中反射鏡外殼曲率的曲線圖;
圖5是根據本發明的光源的截面圖;
圖6是示出圖1中的燈在水平平面內的發光強度的規化曲線的圖;
圖7是示出圖1中的燈在垂直平面內的發光強度的規化曲線的圖;
圖8A、8B和8C是圖示圖5中組件上的濾色塗層的理想傳輸特性曲線的圖。
參照圖1，示出了一個包括一個燈泡13的氣體放電燈的平面圖，燈泡13包括一對電極9、11，它們相對取向並沿軸線14對齊。燈泡13含有電離的氣體和諸如錫、鉈和汞的金屬蒸汽。燈泡13用玻璃毛坯15上的玻璃製成，玻璃毛坯15剛性支撐電極9、11，及其在固定位置的引線導體17、19。燈泡13和毛坯15以及引線導體17、19均裝在玻璃外殼21中，該外殼21與底座23相接，而引線導體由17、19通過底座23形成連接管腳25、27。這種類型的燈可以從市場上獲得(例如，從紐約OSRAM Corp.of Newburgh獲得)，並且一般能發射約為12000流明的光通量，其色溫為3000°k、功耗為150W。
圖1中所示的燈在圖2中圖示其簡化的端視圖。電極9、11沿軸線14對齊，並位於垂直於和電極成直線排列的(水平)軸線14的縱軸29的兩側，而反射鏡24基本上軸向對稱地安置在燈周圍。該燈圖示為對稱於x(水平)和y(垂直)軸14、29的原點，以便將燈的發光強度分布數據(如圖6和7中的曲線所示)進行對比，這將在後面說明。
參照圖3，示出了根據本發明用於圖1中燈的反射罩31的截面圖。反射罩31包括反射部分33，對準部分35和安裝部分37。對準部分35的內部尺寸能軸線對齊地放入燈的外殼21，安裝部分37的內部尺寸能放入底座23以將各部件連接在一起，按後面將要說明的方法，電極軸位於反射部分33的焦點40上。
反射部分33預定將(通過與本發明以外的常規外部電路)從電極9、11之間保留的氣體放電弧的「燈絲」發出的光聚焦到一根或多根光纖的端面所在的一點(或小焦點區)39。反射部分33一般為圍繞主軸41旋轉對稱的截頂橢球面形狀，該橢球面的焦點39和40位於主軸41上。橢球面的一個截面位於對準部分35和反射部分33的相交平面43上，另一截面位於垂直於橢球面水平切線具有或接近最大直徑49的平面45上。為了接收和反射電極9、11間發射的附加光通量，該橢球面反射部分33可以朝著焦點39的方向延伸超過平面45的位置，只是受到消除組件內熱量和希望為在燈泡和焦點39之間插入彩色濾光片留足夠的空間所帶來的限制。因此，當電極9、11定向在(截頂)橢球面的一個焦點40時，根據熟知的物理原理，其間發射的輻射通量51則聚焦在另一焦點39上。在截面43和45之間的橢球面反射部分33的具體形狀在圖4曲線中圖示出來。如前所述，截平面45可以位於或接近該橢球面的最大直徑57處(它位於主軸的原點55處)，焦點40是反射部分中燈的電極9、11所在和對準的位置。組裝好的反射鏡和燈在圖5中示出。
根據本發明，從電極9、11間發射的並聚焦在交點39的輻射通量的發光強度，在垂直於中心軸並位於或接近焦點39的平面中的點位置上進行檢測，如圖5所示。圖6和7中的圖形示出了在距離電極9、11不同距離的上述這些點上測得的發光強度曲線。具體地說，圖6圖示了在與電極9、11相交的水平平面內距電極不同距離點上的發光強度。應當注意到發光強度的分布在焦距處最大，並且在水平面上該分布基本對稱(如圖6所示)。然而，在垂直平面內光強分布不是對稱的(如圖7所示)，在與電極9、11相交的水平平面以上的位置有發光強度急劇增加的輔助峰值，其中圖5中的檢測距離d小於或等於焦距值(約1.0″)。
申請人認為對於不對稱光強分布的一種解釋是在燈泡13中包括金屬蒸汽的電離氣體趨於冷凝和主要匯集在燈泡13的較下部分，並隨著工作時間增長而改變程度。這樣，從燈泡13較下部分發射的輻射通量部分被散射或吸收。由於對電極9、11間輻射的總光通量的這種作用，為使垂直分布的峰值有稍微移動，將電極9、11的軸線以相對於反射部分33軸線負的或向下方向稍微移動。因此，在將燈的外殼21和底痤23分別裝入對準部分35和安裝部分37時，將電極軸線14移到反射部分33對稱軸下面所選擇的尺寸處，並使用例如玻璃與玻璃融焊，或常規的環氧樹膠或熔結玻璃粘合劑36或類似物，將底座23裝到或永久地固定在安裝部分37上。認為所選擇的位移尺寸取決於圖2示出的充氣燈泡13的直徑D。因此，電極9、11相對於對稱軸的位移量設置為nxD，其中0≤n≤0.2。這樣在焦點39處檢測的總的通量強度最大，將底座23和安裝部分37剛性並永久地連在一起，從而提供一個如圖5所示的具有最佳工作取向(即，電極軸線14為水平)的燈裝置，它在焦點39處(光纖的端面所在處)提供最大的通量強度。將底座23連接到反射鏡的安裝部分37非常有利於燈泡和反射鏡遠處較冷端的差熱膨脹，所述燈泡和反射鏡的遠處較冷端遠離電極9、11間的離子放電區中的熱源。
根據本發明的另一方面，在連在反射部分33外截面上的透明玻璃面板61上，以及反射部分33的內表面上形成分色濾光塗層，如圖5所示。在這些表面上以常規方式形成(例如使用金屬蒸汽沉積技術)分色濾色層提供波長選擇性透射通過面板61，如圖8A所示，並提供來自反射部分33表面的波長選擇性反射。因此增強了用圖5裝置在可見光範圍內發射的有效輻射，並衰減了在紅外和紫外範圍內的輻射，如圖8A所示。具體地說，塗在面板61上的分色濾光塗層的透射特性抑制了紅外和紫外範圍波長的透射，如圖8A和8B所示。塗在反射部分33的分色濾光塗層的透射特性也透射(不是反射)紅外範圍的波長，如圖8C所示。
因此，由位於本發明的光源焦點39處的光纖接收的有效輻射由於減小了來自本發明光源的熱量和紫外輻射從而大大減小了對光纖塑料材料的危害。
因此，本發明的光源理想地適用於照明位於或接近截頂橢球面焦點處的光纖端面。另外，通過前述的對準過程提供給該焦點的可見光輻射強度最大，並用裝置中的分色濾光塗層或輻射反射和透射元件來衰減不希望的輻射強度。
權利要求
1.一種包括具有其輻射基本上在確定波段內的燈絲源的燈的照明裝置，其特徵在於所述源沿基本垂直於和所選擇的照明方向成一直線的基準軸的軸線取向，將一個反射鏡放在燈的周圍，用於將其輻射基本上集中在沿參考軸的遠離源的一點附近，該反射鏡大致包括一個關於軸旋轉的橢球面，它將所述點和在所述源附近的另一個點作為橢球面焦點，並基本上在所述源位置和所述點中間的垂直於基準軸的平面中被截頂，將一塊透射材料的面板大致放在反射鏡的截面上，用以透射來自於所述源的輻射。
2.根據權利要求1的發光裝置，其中所述燈含有一對沿所述軸分開的電極，其特徵在於電極對之間包括金屬蒸汽的電離氣體用以支持該對電極間的燈絲響應所加的電信號進行放電，使所述電極軸線偏離於基準軸線。
3.根據權利要求2的發光裝置，其特徵在於將所述電極軸線從所述基準軸移向所述另一個點附近。
4.根據權利要求2的發光裝置，其特徵在於電極的工作取向為其軸線大致水平，並將所述電極軸線移到所述基準軸線的下面。
5.根據權利要求1的發光裝置，其特徵在於所述面板包括一濾光塗層用以衰減來自源的基本上在可見光波帶之外的輻射的透射。
6.根據權利要求1的發光裝置，其特徵在於所述反射鏡包括一濾光塗層用以減小對來自源的基本上可見光波帶之外的輻射的反射。
7.根據權利要求1的發光裝置，其中的燈包括與之相接的並位於距燈絲源一定距離的支承底座，所述發光裝置的特徵在於反射鏡包括一個與其連為一體的外殼，以在其中形成從反射鏡到該外殼遠端的一個通道，燈的支承底座連在所述外殼的遠端用以形成將燈保持在反射鏡和外殼內且燈絲源基本位於所述另一點的組件。
8.根據權利要求7的發光裝置，其特徵在於反射鏡包括一個在燈絲源附近的反射部分，該部分約為1.0英寸長，在所述截面中直徑約為2.0英寸，在遠離所述點的所述另一點一側位置上的橢球面截面上，其直徑約為1.0英寸。
9.一種選擇增強光源可見光輻射的方法，其特徵在於在該源的周圍形成一個透輻射材料的反射鏡用以有選擇地聚焦來自源的輻射，在反射鏡上形成一與波長相關的濾光塗層用以減小對來自該源的在可見光波長之外的輻射的反射。
10.根據權利要求9的發光裝置，其特徵在於將與波長相關的濾色片置於聚焦源輻射通路中，用以透射來自源的基本上在可見光波長範圍內的輻射。
11.一種增強其中有金屬蒸汽的氣體放電輻射源的方法，該輻射源包括位於其周圍大致為橢球面的反射鏡，用於將其輻射聚集在沿水平參考軸並遠離該源的點附近，該方法的特徵在於當將源相對於所述基準軸放在反射鏡中時，至少在所述點的附近檢測出來自源的輻射強度，最大的輻射強度由光源在反射鏡中的位移決定，將光源剛性地固定在反射鏡上相對位移處以便檢測到的輻射強度為最大。
12.根據權利要求9的方法，其源包括一對在氣體放電介質中沿著水平軸線相互分開的電極，其特徵在於電極偏離於基準軸線以將光源剛性緊固在反射鏡上。
全文摘要
一種用於照明光纖的改進光源包括一個高強度的位於一個反射鏡組件內的氣體放電燈，該反射鏡組件將來自燈的輻射聚焦在遠處焦點上，並可有選擇地透射和反射所希望的可見光輻射，以及衰減不希望的紫外和紅外輻射。組裝過程中的對準工序確保了將最大的通量強度提供給位於反射鏡組件遠處焦點的光纖。
文檔編號H01J61/35GK1050435SQ90107988
公開日1991年4月3日 申請日期1990年9月21日 優先權日1989年9月21日
發明者喬治·K·粟井, 李松山 申請人:纖維星有限公司