專利名稱：反射錐面鏡系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于光學(xué)和/或光子器件中的透鏡的領(lǐng)域。更具體地講，本發(fā)明涉及新穎的反射和反射折射的反射錐面鏡設(shè)計(jì)以及它們用于這種器件中的實(shí)施方式。
背景技術(shù)：
術(shù)語“錐面鏡”通常是指具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的精確錐形表面的特殊類型的折射透鏡。折射錐面鏡已經(jīng)用于許多光學(xué)應(yīng)用場(chǎng)合中，且相對(duì)較直接簡(jiǎn)單地制作。它們已經(jīng)用于將點(diǎn)光源作為沿著光軸的線成像，或用于將準(zhǔn)直激光束變換為環(huán)。它們還已經(jīng)用于將高斯光束變換到近似的貝塞耳光束。以術(shù)語“ref Iaxicon”表示的反射錐面鏡首先由Edmonds在1973年提出，他從理論基礎(chǔ)上稍微探討研究了它。(“The Reflaxicon, a New Refective Optical Element, andSome Applications" APPLIED OPTICS ;Vol. 12，No. 8 ; 1973 年 8 月)。然而，從那以后，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了反射錐面鏡在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中僅具有有限的切合實(shí)際的應(yīng)用。從理論角度看，反射錐面鏡通常包括主錐形鏡I和較大的從錐形鏡2，所述從錐形鏡2相對(duì)于主鏡I同軸地定位，如圖IA所示。從鏡2被截頭，從而產(chǎn)生軸向或中心開口 2A，所述開口具有等于或大于主鏡I的根部直徑IA的內(nèi)徑。如圖IA所示，這種組合的一個(gè)通常的功能是以基本無損失的方式將實(shí)心光束(例如，高斯強(qiáng)度分布的激光束)轉(zhuǎn)換為空心光束。通過將實(shí)心光束轉(zhuǎn)換為環(huán)狀，反射錐面鏡通過反射方式實(shí)現(xiàn)錐面鏡通過折射方式實(shí)現(xiàn)的作用。此外，從錐體2的半角92和主錐體的半角Q1可被選擇成產(chǎn)生會(huì)聚、平行或發(fā)散光束。而且，通過成對(duì)地配置反射錐面鏡，理論上可實(shí)現(xiàn)多種其他功能，例如使反射錐面鏡對(duì)的初始從鏡2彎曲來補(bǔ)償圖IB所示的入射光線的無衍射有限的光束發(fā)散。而且，盡管反射錐面鏡的理論上的可能性已經(jīng)得到一些有限的挖掘研究，但它們的實(shí)際應(yīng)用已經(jīng)受到限制。因此，本發(fā)明在反射錐面鏡的實(shí)際實(shí)施和在光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用以及它們?cè)诠鈱W(xué)和光子器件中的結(jié)合方面進(jìn)行了外向擴(kuò)展。

發(fā)明內(nèi)容
首先，本發(fā)明已經(jīng)開發(fā)了用于實(shí)際應(yīng)用的反射錐面鏡，且該反射錐面鏡被實(shí)施為用于成像或非成像應(yīng)用場(chǎng)合的窄公差容許或?qū)捁钊菰S的光學(xué)器件。用于成像的窄公差容許的光學(xué)器件的應(yīng)用例子包括衍射有限的中繼物鏡(有限共軛成像)、衍射有限的顯微鏡物鏡(有限和無限共軛成像)、衍射有限的高功率激光聚焦物鏡、激光束發(fā)送系統(tǒng)(用于光束擴(kuò)展器、光學(xué)光瞳中繼器和光束成形系統(tǒng)的無焦點(diǎn)設(shè)計(jì))。用于成像的寬公差容許的光學(xué)器件的應(yīng)用實(shí)例包括無衍射有限的中繼物鏡(有限共軛成像)、無衍射有限的顯微鏡物鏡(有限和無限共軛成像)、激光聚焦物鏡和激光束發(fā)送系統(tǒng)。用于非成像的寬公差容許的光學(xué)器件的應(yīng)用實(shí)例包括照明和光線聚集光學(xué)器件、例如LED收集準(zhǔn)直器、太陽光聚集器和這種元件的陣列。在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，反射錐面鏡的這些應(yīng)用中沒有任何一個(gè)應(yīng)用已經(jīng)獲得切實(shí)可行的改進(jìn)。在這種情況下，本發(fā)明已開發(fā)和發(fā)明了基于由光學(xué)玻璃制成的實(shí)心反射錐面鏡(被分成或是僅純反射設(shè)計(jì)，或是既基于折射又基于反射原理工作的反射折射設(shè)計(jì))和空心反射錐面鏡(僅反射工作)的結(jié)構(gòu)以及前述的各種組合。反射錐面鏡獨(dú)自的使用是固有的有益改進(jìn)，因?yàn)榧兎瓷涔鈱W(xué)系統(tǒng)固有地不具有色差問題。而且，本發(fā)明可在它們的極限情況下是無遮攔的(這在純反射系統(tǒng)中是常見的問題)?？蛇x地，遮攔的量可被選擇成適應(yīng)應(yīng)用。此外，本發(fā)明不需要光束分束器、傾斜或偏軸構(gòu)件，且本發(fā)明優(yōu)選是軸向?qū)ΨQ的，這使得它們可比典型的全反射系統(tǒng)明顯更簡(jiǎn)單和更容易地實(shí)施。前面描述的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)通過參看附圖和以下的描述將變得顯而易見。


圖IA提供了反射錐面鏡的基本示意性側(cè)視圖。圖IB提供了包括一對(duì)反射錐面鏡的反射錐面鏡系統(tǒng)的基本示意性側(cè)視圖。圖2提供了本發(fā)明的基本實(shí)心內(nèi)部反射錐面鏡系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖，其具有平坦的輸入/輸出部。圖3提供了圖2中所示的實(shí)心基本內(nèi)部反射錐面鏡系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖，其具有同心輸出分界面。圖4提供了本發(fā)明的基本內(nèi)部反射錐面鏡系統(tǒng)的剖切透視側(cè)視圖，其具有同心輸出分界面。圖5A提供了本發(fā)明的基本實(shí)心內(nèi)部反射錐面鏡系統(tǒng)的剖切側(cè)透視圖，其具有同心輸出分界面，該同心輸出分界面被實(shí)施在外殼中，該基本實(shí)心內(nèi)部反射錐面鏡系統(tǒng)適合于例如用作顯微鏡物鏡。圖5B提供了在用作顯微鏡物鏡中的圖5A所示的通常類型的反射錐面鏡系統(tǒng)和殼體的側(cè)透視圖。圖6A提供了示意性側(cè)視圖，該示意性側(cè)視圖示出了入射光線行進(jìn)通過具有同心輸出分界面的本發(fā)明的基本實(shí)心內(nèi)部反射錐面鏡系統(tǒng)的過程中的第一步。圖6B提供了示意性側(cè)視圖，該示意性側(cè)視圖示出了入射光線行進(jìn)通過圖6A所示的內(nèi)部反射錐面鏡系統(tǒng)的過程中的第二步。圖6C提供了示意性側(cè)視圖，該示意性側(cè)視圖示出了入射光線行進(jìn)通過圖6A所示的內(nèi)部反射錐面鏡系統(tǒng)的過程中的第三步。圖7提供了示意性側(cè)視圖，該示意性側(cè)視圖示出了入射光線行進(jìn)通過具有同心輸出分界面的本發(fā)明的基本內(nèi)部反射錐面鏡系統(tǒng)的過程，其中，所述同心輸出分界面不具有增加的反射涂層。圖8提供了示意性側(cè)視圖，該示意性側(cè)視圖示出了在入射光線的角度小于臨界角度的區(qū)域處增加了反射涂層之后的入射光線行進(jìn)通過圖7的反射錐面鏡系統(tǒng)的過程。圖9A提供了包括與其相關(guān)的工程設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的實(shí)心反射錐面鏡系統(tǒng)的示意性剖視圖。圖9B提供了圖9A的錐形中心反射器IOB的更詳細(xì)的剖視圖。圖IOA提供了本發(fā)明的空心外部反射錐面鏡系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖，其適合于與前面所述的實(shí)心反射錐面鏡系統(tǒng)相同的總的應(yīng)用類型。圖IOB提供了被實(shí)施在合適的殼體中的基本外部反射錐面鏡系統(tǒng)的分解的局部剖切側(cè)透視圖。圖IOC提供了圖IOB中示出的基本外部反射錐面鏡系統(tǒng)的組裝的局部剖切側(cè)透視圖。圖IOD提供了圖IOB中所示的基本外部反射錐面鏡系統(tǒng)的組裝的側(cè)視圖。圖11提供了具有同心輸出分界面和凹形第二反射錐面鏡的內(nèi)部反射錐面鏡系統(tǒng)的局部剖切側(cè)透視圖。圖12提供了使用兩個(gè)凹形反射錐面鏡的具有同心輸出分界面的內(nèi)部反射錐面鏡系統(tǒng)的局部剖切側(cè)透視圖。圖13提供了被實(shí)施成用作光束擴(kuò)展器、包括光束成形的內(nèi)部反射錐面鏡系統(tǒng)的局部剖切側(cè)透視圖。
圖14A提供了一種被實(shí)施用作中繼器的內(nèi)部反射錐面鏡系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖，其使用了兩個(gè)凹形反射錐面鏡，且具有對(duì)稱的同心輸入和輸出分界面。圖14B提供了一種被實(shí)施為用作光束擴(kuò)展器的內(nèi)部反射錐面鏡系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖，其使用了兩個(gè)凹形反射錐面鏡，且具有非對(duì)稱的同心輸入和輸出分界面。圖14C提供了一種被實(shí)施用作顯微鏡物鏡的內(nèi)部反射錐面鏡系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖，其使用了兩個(gè)凹形反射錐面鏡，且具有非對(duì)稱的輸入和輸出分界面。圖14D提供了一種被實(shí)施用作光束擴(kuò)展器的內(nèi)部反射錐面鏡系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖，其使用了兩個(gè)凹形反射錐面鏡，且具有徑向非對(duì)稱的同心輸入和輸出分界面。圖15A提供了一種反射錐面鏡系統(tǒng)的局部剖切側(cè)透視圖，其組合了內(nèi)部和外部反射錐面鏡，且從一個(gè)方向使用與凸形反射器相同的中心錐體，從另一個(gè)方向使用與凹形反射器相同的中心錐體，其中，實(shí)心上半體用作內(nèi)部反射錐面鏡，且具有與具有凸形中心反射器表面的用作外部反射錐面鏡的空心下半體耦合的凹形中心反射器表面。圖15B提供了一種反射錐面鏡系統(tǒng)的局部剖切側(cè)透視圖，其組合了內(nèi)部和外部反射錐面鏡，且從一個(gè)方向使用與凸形反射器相同的中心錐體，從另一個(gè)方向使用與凹形反射器相同的中心錐體，其中，空心上半體用作外部反射錐面鏡，且具有與具有凹形中心反射器表面的用作內(nèi)部反射錐面鏡的實(shí)心下半體耦合的凸形中心反射器表面。圖16A提供了一種反射錐面鏡系統(tǒng)的局部剖切側(cè)透視圖，其組合了內(nèi)部和外部反射錐面鏡，且從一個(gè)方向使用與凸形反射器相同的中心錐體，從另一個(gè)方向使用與凹形反射器相同的中心錐體，其中，空心上半體用作外部反射錐面鏡，且具有與具有凸形中心反射器表面的用作內(nèi)部反射錐面鏡的實(shí)心下半體耦合的凹形中心反射器表面。圖16B提供了一種反射錐面鏡系統(tǒng)的局部剖切側(cè)透視圖，其組合了內(nèi)部和外部反射錐面鏡，且從一個(gè)方向使用與凸形反射器相同的中心錐體，從另一個(gè)方向使用與凹形反射器相同的中心錐體，其中，實(shí)心上半體用作內(nèi)部反射錐面鏡，且具有與具有凹形中心反射器表面的用作外部反射錐面鏡的空心下半體耦合的凸形中心反射器表面。圖17A提供了第一種實(shí)心反射錐面鏡系統(tǒng)的局部剖切側(cè)透視圖，其從一個(gè)方向使用與凸形反射器相同的中心錐體，從另一個(gè)方向使用與凹形反射器相同的中心錐體。圖17B提供了第二種實(shí)心反射錐面鏡系統(tǒng)的局部剖切側(cè)透視圖，其從一個(gè)方向使用與凸形反射器相同的中心錐體，從另一個(gè)方向使用與凹形反射器相同的中心錐體。圖18A提供了第三種實(shí)心反射錐面鏡系統(tǒng)的局部剖切側(cè)透視圖，其從一個(gè)方向使用與凸形反射器相同的中心錐體，從另一個(gè)方向使用與凹形反射器相同的中心錐體。圖18B提供了第四種實(shí)心反射錐面鏡系統(tǒng)的局部剖切側(cè)透視圖，其從一個(gè)方向使用與凸形反射器相同的中心錐體，從另一個(gè)方向使用與凹形反射器相同的中心錐體。圖19A提供了一種反射錐面鏡系統(tǒng)的示意性橫截面，其被設(shè)計(jì)成使入射主光線作為邊緣光線輸出，反之亦然。圖19B提供了一種反射錐面鏡系統(tǒng)的局部剖切側(cè)透視圖，其被設(shè)計(jì)成在第二和第三反射之間產(chǎn)生環(huán)焦。圖20提供了一種相關(guān)的幾何形狀的示意性橫截面(在反射光學(xué)系統(tǒng)中是好理解的，例如拋物線和橢圓形)，該幾何形狀對(duì)根據(jù)本發(fā)明的反射錐面鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說是基本的。
圖21A提供了一種反射錐面鏡系統(tǒng)的透明的示意性透視圖，示出了進(jìn)入光線的分布并不是必須被保持，即使在光線排序時(shí)。圖21B提供了被形成為一個(gè)實(shí)心單件式的反射錐面鏡系統(tǒng)的示意性橫截面。圖22提供了示出了一種反射錐面鏡系統(tǒng)的示意性橫截面，其中，數(shù)值孔徑的中心部分的光線沿循一個(gè)路徑通過系統(tǒng)，而來自外數(shù)值孔徑的光線沿循不同的路徑，且使用了多個(gè)不同的光學(xué)系統(tǒng)。圖23提供了一種示意圖，其具有以S1-S8表示的相關(guān)表面，且被提供作為用于解釋圖 24A、25A、26A、27A 和 28A 的參考。圖24A提供了與根據(jù)本發(fā)明制造的空心和實(shí)心反射錐面鏡系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)，其具有4. Omm的有效焦距、50X的放大倍率、O. 45的數(shù)值孔徑，且所述系統(tǒng)特別令人感興趣，有益地用作顯微鏡物鏡的場(chǎng)合。圖24B提供了根據(jù)圖24A中提供的技術(shù)細(xì)節(jié)制造的空心和實(shí)心反射錐面鏡系統(tǒng)的示意圖。圖25A提供了與根據(jù)本發(fā)明制造的空心和實(shí)心反射錐面鏡系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)，其具有2. 5mm的有效焦距、80X的放大倍率、O. 45的數(shù)值孔徑，所述系統(tǒng)特別令人感興趣，有益地用作顯微鏡物鏡的場(chǎng)合。圖25B提供了根據(jù)圖25A中提供的技術(shù)細(xì)節(jié)制造的空心和實(shí)心反射錐面鏡系統(tǒng)的示意圖。圖26A提供了與根據(jù)本發(fā)明制造的空心和實(shí)心反射錐面鏡系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)，其具有2. 2mm的有效焦距、92. 2X的放大倍率、O. 50的數(shù)值孔徑，所述系統(tǒng)特別令人感興趣，有益地用作顯微鏡物鏡的場(chǎng)合。圖26B提供了根據(jù)圖26A中提供的技術(shù)細(xì)節(jié)制造的空心和實(shí)心反射錐面鏡系統(tǒng)的示意圖。圖27A提供了與根據(jù)本發(fā)明制造的空心和實(shí)心反射錐面鏡系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)，其具有I. 9mm和I. 8mm的有效焦距、105. 3X和113X的放大倍率、O. 55和O. 58的數(shù)值孔徑，所述系統(tǒng)特別令人感興趣，有益地用作顯微鏡物鏡的場(chǎng)合。圖27B提供了根據(jù)圖27A中提供的技術(shù)細(xì)節(jié)制造的空心和實(shí)心反射錐面鏡系統(tǒng)的示意圖。圖28A提供了與根據(jù)本發(fā)明制造的空心和實(shí)心反射錐面鏡系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)，其具有2. 3mm的有效焦距、87X的放大倍率、O. 74的數(shù)值孔徑，所述系統(tǒng)特別令人感興趣，有益地用作顯微鏡物鏡的場(chǎng)合。圖28B提供了根據(jù)圖28A中提供的技術(shù)細(xì)節(jié)制造的空心和實(shí)心反射錐面鏡系統(tǒng)的示意圖。圖29A提供了兩件空心反射錐面鏡系統(tǒng)的示意圖，其提供了理論上100%的傳輸，但仍在會(huì)聚的輸出光束中具有中心遮攔。圖29B提供了一件實(shí)心反射錐面鏡系統(tǒng)的示意圖，其提供了理論上100%的傳輸，但仍在會(huì)聚的輸出光束中具有中心遮攔。
具體實(shí)施例方式圖2和3提供了對(duì)本發(fā)明的基本實(shí)心內(nèi)部反射錐面鏡系統(tǒng)的一些概念的初步介紹。通常，在這些附圖中，準(zhǔn)直入射光束100進(jìn)入內(nèi)部反射錐面鏡系統(tǒng)中，且作為會(huì)聚光束200射出。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，對(duì)于沿著相反路徑進(jìn)入而作為準(zhǔn)直光束射出的會(huì)聚光束來說，說明同樣是有效適用的。然而，對(duì)于光束100作為入射光束的情況來說，將看到圖示的基本系統(tǒng)具有三個(gè)基本構(gòu)件入射部分10、輸出部分20和包括空腔30的中心部分。入射部分10的特征在于，具有平坦的輸入表面10A、內(nèi)錐形中心反射表面IOB (在此，也稱作第一反射錐面鏡內(nèi)中心反射表面)和內(nèi)環(huán)形或環(huán)繞的傾斜反射側(cè)表面IOC(在此，也稱作第一反射錐面鏡內(nèi)遠(yuǎn)端反射表面)。然而，在這點(diǎn)應(yīng)當(dāng)指出，術(shù)語“錐形”-盡管基本和總體上是正確的-但不應(yīng)認(rèn)為將這些表面限制為精確的錐形形狀，因?yàn)榻^大部分的表面增加有較高階的非球面項(xiàng)，以優(yōu)化用于給定的應(yīng)用場(chǎng)合。利用反射錐面鏡的本發(fā)明與其他反射系統(tǒng)或反射折射系統(tǒng)之間的重要區(qū)別在于，所采用的兩個(gè)或更多個(gè)錐形反射表面應(yīng)認(rèn)為是“大致錐形的”。在真實(shí)錐形的回轉(zhuǎn)表面(因此，為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱表面)的頂點(diǎn)處，所述表面的偏導(dǎo)數(shù)是不連續(xù)的。錐體的所有側(cè)共同地會(huì)聚于單個(gè)點(diǎn)，在所述單個(gè)點(diǎn)處，導(dǎo)數(shù)未被定義。實(shí)際中，由于制造公差原因，該奇異點(diǎn)不能真實(shí)地制造?；蛘咄ㄟ^設(shè)計(jì)它可為頂點(diǎn)有目的地被選擇成通過增加較高階的非球面項(xiàng)不是不連續(xù)的。通常，給定反射表面的垂度，z (r)，通過奇次非球面模型描述。該多項(xiàng)式必須包含徑向坐標(biāo)，r，的偶數(shù)次冪和奇數(shù)次冪，如以下總的表達(dá)式所給出，顯示出，對(duì)于垂度，總共N個(gè)偶數(shù)項(xiàng)和奇數(shù)項(xiàng)來修改球面等式
權(quán)利要求
1.ー種反射錐面鏡系統(tǒng)，包括 第一反射錐面鏡，所述第一反射錐面鏡包括第一反射錐面鏡中心反射表面和第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面，所述第一反射錐面鏡中心反射表面為大致錐形，所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面為大致截頭錐形； 與所述第一反射錐面鏡成間隔開的關(guān)系定位的第二反射錐面鏡，所述第二反射錐面鏡包括第二反射錐面鏡中心反射表面和第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面，所述第二反射錐面鏡中心反射表面為大致錐形，所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面為大致截頭錐形；以及 其中，具有經(jīng)由在所述第一反射錐面鏡中心反射表面與所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面之間、在所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面與所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面之間、在所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面與所述第二反射錐面鏡中心反射表面之間反射的光路，使得光束可與所述第一反射錐面鏡中心反射表面鄰近地并入射到所述第一反射錐面鏡中心反射表面上地進(jìn)入所述反射錐面鏡系統(tǒng)，經(jīng)由從所述反射表面的反射行進(jìn)通過所述反射錐面鏡系統(tǒng)，且從所述第二反射錐面鏡中心反射表面輸出地并與所述第二反射錐面鏡中心反射表面鄰近地從所述反射錐面鏡系統(tǒng)輸出。
2.如權(quán)利要求I所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在干， 所述第一反射錐面鏡中心反射表面和所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面、以及所述第ニ反射錐面鏡中心反射表面和所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面中的至少ー個(gè)是光線傳輸固體的表面，使得在所述中心表面和遠(yuǎn)端表面之間反射的光線發(fā)生于所述固體中； 包括所述第一反射錐面鏡中心反射表面和所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面的任何所述光線傳輸固體包括鄰近所述第一反射錐面鏡中心反射表面的輸入表面，在所述輸入表面處，入射光線進(jìn)入所述第一反射錐面鏡中，且包括所述第二反射錐面鏡中心反射表面和所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面的任何所述光線傳輸固體包括鄰近所述第二反射錐面鏡中心反射表面的輸出表面，在所述輸出表面處，輸出光線從所述第二反射錐面鏡輸出；以及 任何所述輸入和輸出表面包括平坦表面和彎曲表面中的ー個(gè)。
3.如權(quán)利要求2所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，任何所述輸出表面被彎曲，以消除輸出光線在輸出表面處的折射。
4.如權(quán)利要求2所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在干，所述第一反射錐面鏡中心反射表面和所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面、以及所述第二反射錐面鏡中心反射表面和所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面中的至少ー個(gè)相對(duì)于光軸對(duì)稱地設(shè)置。
5.如權(quán)利要求I所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述兩個(gè)反射錐面鏡均由光線傳輸固體構(gòu)成，所述固體沿著接合表面緊挨著接觸，光線傳輸通過所述接合表面，且具有以下中的至少ー個(gè)特征所述接合表面包括有助于將所述錐面鏡保持在正確間隔開和軸向?qū)R的狀態(tài)下的互鎖表面，設(shè)有用于所述反射錐面鏡的殼體，所述殼體具有有助于將所述反射錐面鏡保持在正確間隔開和軸向?qū)R的狀態(tài)下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。
6.如權(quán)利要求I所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述光線傳輸固體的反射表面的至少一部分鄰近空腔，且所述反射表面的形成所述光線傳輸固體與所述空腔之間的分界面的所述部分處的全內(nèi)反射占所述部分的反射率的至少一部分。
7.如權(quán)利要求5所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在干，任何所述殼體包括鄰近遠(yuǎn)端反射表面的一部分的空腔，且所述遠(yuǎn)端反射表面的形成所述光線傳輸固體與所述空腔之間的分界面的所述部分處的全內(nèi)反射占所述部分的反射率的至少一部分。
8.如權(quán)利要求6所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述反射表面中的ー個(gè)的至少一部分在入射光線非全內(nèi)反射的區(qū)域處被涂覆反射涂層。
9.如權(quán)利要求I所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，它還包括用于所述反射錐面鏡的殼體，所述殼體具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，所述內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征將所述反射錐面鏡的反射表面保持在正確間隔開且軸向?qū)R的狀態(tài)下。
10.如權(quán)利要求9所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述殼體包括保持所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面的第一部分、保持所述第一反射錐面鏡中心反射表面和所述第二反射錐面鏡中心反射表面的第二部分以及保持所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面的第三部分。
11.如權(quán)利要求10所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，具有以下中的至少ー個(gè)特征所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面由所述第一部分的內(nèi)表面形成，所述第一反射錐面鏡中心反射表面和所述第二反射錐面鏡中心反射表面由所述第二部分的外表面形成，所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面由所述第三部分的內(nèi)表面形成。
12.如權(quán)利要求I所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，具有以下中的至少ー個(gè)特征所述中心反射錐形表面中的一個(gè)的頂點(diǎn)指向所述中心反射錐形表面中的另ー個(gè)，兩個(gè)所述中心反射錐形表面的頂點(diǎn)指向所述中心反射錐形表面中的另ー個(gè)。
13.如權(quán)利要求2所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，兩個(gè)所述反射錐面鏡均由光線傳輸固體構(gòu)成，且所述輸入表面和所述輸出表面均為彎曲表面，所述彎曲表面適于折射地影響入射或輸出光線，使得所述彎曲表面使反射錐面鏡適于充當(dāng)中繼器、顯微鏡物鏡和光束擴(kuò)展器中的ー個(gè)。
14.如權(quán)利要求I所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在干，同一中心錐體充當(dāng)?shù)谝环瓷溴F面鏡中心反射表面和第二反射錐面鏡中心反射表面。
15.如權(quán)利要求14所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述第一反射錐面鏡和所述第二反射錐面鏡中的一個(gè)是光線傳輸固體，所述第一反射錐面鏡和所述第二反射錐面鏡中的另ー個(gè)不是光線傳輸固體。
16.如權(quán)利要求14所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，具有以下中的至少ー個(gè)特征 所述第一反射錐面鏡中心反射表面與所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面之間的光線反射發(fā)生于光線傳輸固體內(nèi)，所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面與所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面之間的光線反射發(fā)生于光線傳輸固體內(nèi)，且所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面與所述第二反射錐面鏡中心反射表面之間的光線反射至少部分發(fā)生于空氣中；以及 所述第二反射錐面鏡中心反射表面與所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面之間的光線反射發(fā)生于光線傳輸固體內(nèi)，所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面與所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面之間的光線反射發(fā)生于光線傳輸固體內(nèi)，且所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面與所述第一反射錐面鏡中心反射表面之間的光線反射至少部分發(fā)生于空氣中。
17.如權(quán)利要求I所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述反射錐面鏡系統(tǒng)適于引起以下至少ー種使進(jìn)入反射錐面鏡系統(tǒng)的主光線作為邊緣光線輸出，使進(jìn)入反射錐面鏡系統(tǒng)的邊緣光線作為主光線輸出，且入射光線再分布，使得輸出光線在主光線或邊緣光線周圍聚集。
18.如權(quán)利要求17所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述反射錐面鏡系統(tǒng)適于產(chǎn)生環(huán)焦。
19.如權(quán)利要求I所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，進(jìn)入反射錐面鏡系統(tǒng)的主光線、進(jìn)入反射錐面鏡系統(tǒng)的邊緣光線和介于所述主光線與邊緣光線之間的光線中的至少ー個(gè)以以下方式中的ー種方式穿過所述反射錐面鏡系統(tǒng)不具有反射，經(jīng)由從所有反射表面的反射，經(jīng)由從少于所有反射表面的反射、但不是不具有反射。
20.ー種用于構(gòu)造反射錐面鏡系統(tǒng)的方法，包括 提供第一反射錐面鏡，所述第一反射錐面鏡包括第一反射錐面鏡中心反射表面和第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面，所述第一反射錐面鏡中心反射表面為大致錐形，且對(duì)稱地限定出第一反射錐面鏡光軸，所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面為大致截頭錐形，且繞著所述第一反射錐面鏡光軸對(duì)稱地設(shè)置； 提供第二反射錐面鏡，所述第二反射錐面鏡包括第二反射錐面鏡中心反射表面和第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面，所述第二反射錐面鏡中心反射表面為大致錐形，且對(duì)稱地限定第二反射錐面鏡光軸，所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面為大致截頭錐形，且繞著所述第ニ反射錐面鏡光軸對(duì)稱地設(shè)置； 以間隔開的關(guān)系布置所述第一和第二反射錐面鏡，且使它們的光軸對(duì)齊，使得具有經(jīng)由在所述第一反射錐面鏡中心反射表面與所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面之間、在所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面與所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面之間、在所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面與所述第二反射錐面鏡中心反射表面之間反射的光路，使得光束可與所述第一反射錐面鏡中心反射表面鄰近地并入射到所述第一反射錐面鏡中心反射表面上地進(jìn)入所述反射錐面鏡系統(tǒng)，經(jīng)由從所述反射表面的反射行進(jìn)通過所述反射錐面鏡系統(tǒng)，且從所述第二反射錐面鏡中心反射表面輸出地并與所述第二反射錐面鏡中心反射表面鄰近地從所述反射錐面鏡系統(tǒng)輸出； 所述反射表面中的至少ー個(gè)被進(jìn)ー步彎曲，以實(shí)現(xiàn)ー種光學(xué)效果；以及 其中，具有以下中的至少ー個(gè)特征 所述彎曲表面的形狀和局部?jī)A角被選擇成使分離光軸在輸出側(cè)被再組合，以產(chǎn)生基本無遮攔的光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)在其極限情況下基本無傳輸損失； 所述彎曲表面的形狀和局部?jī)A角由于光學(xué)性能原因被選擇成使通光孔徑的特定百分比可在中心處被遮攔；以及 所述彎曲表面的形狀和局部?jī)A角在出于或不出于光學(xué)性能原因的情況下被選擇成使任意的中心遮攔被允許。
21.—種反射錐面鏡系統(tǒng),包括 第一反射錐面鏡，所述第一反射錐面鏡包括第一反射錐面鏡中心反射表面和第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面，所述第一反射錐面鏡中心反射表面為大致錐形，所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面為大致截頭錐形； 與所述第一反射錐面鏡成間隔開的關(guān)系定位的第二反射錐面鏡，所述第二反射錐面鏡包括第二反射錐面鏡中心反射表面和第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面，所述第二反射錐面鏡中心反射表面為大致錐形，所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面為大致截頭錐形；以及其中，具有經(jīng)由在所述第一反射錐面鏡中心反射表面與所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面之間、在所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面與所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面之間、在所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面與所述第二反射錐面鏡中心反射表面之間反射的光路，使得光束可與所述第一反射錐面鏡中心反射表面鄰近地并入射到所述第一反射錐面鏡中心反射表面上地進(jìn)入所 述反射錐面鏡系統(tǒng)，經(jīng)由從所述反射表面的反射行進(jìn)通過所述反射錐面鏡系統(tǒng)，且從所述第二反射錐面鏡中心反射表面輸出地并與所述第二反射錐面鏡中心反射表面鄰近地從所述反射錐面鏡系統(tǒng)輸出；以及 其中，所述反射錐面鏡系統(tǒng)被包圍在殼體中，且適于用作顯微鏡物鏡。
22.如權(quán)利要求21所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在干， 其中，所述第一反射錐面鏡中心反射表面和所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面、以及所述第二反射錐面鏡中心反射表面和所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面中的至少ー個(gè)是光線傳輸固體的表面，使得在所述中心表面和遠(yuǎn)端表面之間反射的光線發(fā)生于所述固體中； 其中，包括所述第一反射錐面鏡中心反射表面和所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面的任何所述光線傳輸固體包括鄰近所述第一反射錐面鏡中心反射表面的輸入表面，在所述輸入表面處，入射光線進(jìn)入所述第一反射錐面鏡中，且包括所述第二反射錐面鏡中心反射表面和所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面的任何所述光線傳輸固體包括鄰近所述第二反射錐面鏡中心反射表面的輸出表面，在所述輸出表面處，輸出光線從所述第二反射錐面鏡輸出；以及 其中，任何所述輸入和輸出表面包括平坦表面和彎曲表面中的ー個(gè)。
23.如權(quán)利要求22所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，任何所述輸出表面被彎曲，以消除輸出光線在輸出表面處的折射。
24.如權(quán)利要求22所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述第一反射錐面鏡中心反射表面和所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面、以及所述第二反射錐面鏡中心反射表面和所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面中的至少ー個(gè)相對(duì)于光軸對(duì)稱地設(shè)置。
25.如權(quán)利要求21所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述兩個(gè)反射錐面鏡均由光線傳輸固體構(gòu)成，所述固體沿著接合表面緊挨著接觸，光線傳輸通過所述接合表面，且具有以下中的至少ー個(gè)特征所述接合表面包括有助于將所述錐面鏡保持在正確間隔開和軸向?qū)R的狀態(tài)下的互鎖表面，設(shè)有用于所述反射錐面鏡的殼體，所述殼體具有有助于將所述反射錐面鏡保持在正確間隔開和軸向?qū)R的狀態(tài)下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。
26.如權(quán)利要求21所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述光線傳輸固體的反射表面的至少一部分鄰近空腔，且所述反射表面的形成所述光線傳輸固體與所述空腔之間的分界面的所述部分處的全內(nèi)反射占所述部分的反射率的至少一部分。
27.如權(quán)利要求25所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在干，任何所述殼體包括鄰近遠(yuǎn)端反射表面的一部分的空腔，且所述遠(yuǎn)端反射表面的形成所述光線傳輸固體與所述空腔之間的分界面的所述部分處的全內(nèi)反射占所述部分的反射率的至少一部分。
28.如權(quán)利要求26所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述反射表面中的一個(gè)的至少一部分在入射光線非全內(nèi)反射的區(qū)域處被涂覆反射涂層。
29.如權(quán)利要求21所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，它還包括用于所述反射錐面鏡的殼體，所述殼體具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，所述內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征將所述反射錐面鏡的反射表面保持在正確間隔開且軸向?qū)R的狀態(tài)下。
30.如權(quán)利要求29所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述殼體包括保持所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面的第一部分、保持所述第一反射錐面鏡中心反射表面和所述第二反射錐面鏡中心反射表面的第二部分以及保持所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面的第三部分。
31.如權(quán)利要求30所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，具有以下中的至少ー個(gè)特征所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面由所述第一部分的內(nèi)表面形成，所述第一反射錐面鏡中心反射表面和所述第二反射錐面鏡中心反射表面由所述第二部分的外表面形成，所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面由所述第三部分的內(nèi)表面形成。
32.如權(quán)利要求21所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，具有以下中的至少ー個(gè)特征所述中心反射錐形表面中的一個(gè)的頂點(diǎn)指向所述中心反射錐形表面中的另ー個(gè)，兩個(gè)所述中心反射錐形表面的頂點(diǎn)指向所述中心反射錐形表面中的另ー個(gè)。
33.如權(quán)利要求22所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，兩個(gè)所述反射錐面鏡均由光線傳輸固體構(gòu)成，且所述輸入表面和所述輸出表面均為彎曲表面，所述彎曲表面適于折射地影響入射或輸出光線，使得所述彎曲表面使反射錐面鏡適于充當(dāng)顯微鏡物鏡。
34.如權(quán)利要求21所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，同一中心錐體充當(dāng)?shù)谝环瓷溴F面鏡中心反射表面和第二反射錐面鏡中心反射表面。
35.如權(quán)利要求34所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在干，所述第一反射錐面鏡和所述第二反射錐面鏡中的一個(gè)是光線傳輸固體，所述第一反射錐面鏡和所述第二反射錐面鏡中的另ー個(gè)不是光線傳輸固體。
36.如權(quán)利要求34所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，具有以下中的至少ー個(gè)特征 所述第一反射錐面鏡中心反射表面與所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面之間的光線反射發(fā)生于光線傳輸固體內(nèi)，所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面與所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面之間的光線反射發(fā)生于光線傳輸固體內(nèi)，且所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面與所述第二反射錐面鏡中心反射表面之間的光線反射至少部分發(fā)生于空氣中；以及 所述第二反射錐面鏡中心反射表面與所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面之間的光線反射發(fā)生于光線傳輸固體內(nèi)，所述第二反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面與所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面之間的光線反射發(fā)生于光線傳輸固體內(nèi)，且所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面與所述第一反射錐面鏡中心反射表面之間的光線反射至少部分發(fā)生于空氣中。
37.ー種反射錐面鏡系統(tǒng),包括 第一反射錐面鏡，所述第一反射錐面鏡包括第一反射錐面鏡中心反射表面和第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面，所述第一反射錐面鏡中心反射表面為大致錐形，所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面為大致截頭錐形； 其中，具有經(jīng)由在所述第一反射錐面鏡中心反射表面與所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面之間、在所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面之間反射的光路，使得光束可與所述第一反射錐面鏡中心反射表面鄰近地并入射到所述第一反射錐面鏡中心反射表面上地進(jìn)入所述反射錐面鏡系統(tǒng)，經(jīng)由從所述反射表面的反射行進(jìn)通過所述反射錐面鏡系統(tǒng)，且從所述反射錐面鏡系統(tǒng)輸出。
38.如權(quán)利要求37所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在干， 所述第一反射錐面鏡中心反射表面和所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面是光線傳輸固體的表面，使得在所述中心表面和遠(yuǎn)端表面之間反射的光線發(fā)生于所述固體中； 包括所述第一反射錐面鏡中心反射表面和所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面的任何所述光線傳輸固體包括鄰近所述第一反射錐面鏡中心反射表面的輸入表面，在所述輸入表面處，入射光線進(jìn)入所述第一反射錐面鏡；以及 任何所述輸入和輸出表面包括以下中的一個(gè)平坦表面和彎曲表面。
39.如權(quán)利要求38所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，任何所述輸出表面被彎曲，以消除輸出光線在輸出表面處的折射。
40.如權(quán)利要求39所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在干，所述第一反射錐面鏡中心反射表面和所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面相對(duì)于光軸對(duì)稱地設(shè)置。
41.如權(quán)利要求37所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在干，所述光線傳輸固體的反射表面的至少一部分鄰近空腔，且所述反射表面的形成所述光線傳輸固體與所述空腔之間的分界面的所述部分處的全內(nèi)反射占所述部分的反射率的至少一部分。
42.如權(quán)利要求41所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在干，任何所述殼體包括鄰近遠(yuǎn)端反射表面的一部分的空腔，且所述遠(yuǎn)端反射表面的形成所述光線傳輸固體與所述空腔之間的分界面的所述部分處的全內(nèi)反射占所述部分的反射率的至少一部分。
43.如權(quán)利要求41所述的反射錐面鏡系統(tǒng)，其特征在于，所述反射表面中的一個(gè)的至少一部分在入射光線非全內(nèi)反射的區(qū)域處被涂覆反射涂層。
44.ー種用于構(gòu)造反射錐面鏡系統(tǒng)的方法，包括 提供第一反射錐面鏡，所述第一反射錐面鏡包括第一反射錐面鏡中心反射表面和第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面，所述第一反射錐面鏡中心反射表面為大致錐形，且對(duì)稱地限定出第一反射錐面鏡光軸，所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面為大致截頭錐形，且繞著所述第一反射錐面鏡光軸對(duì)稱地設(shè)置； 以間隔開的關(guān)系布置所述第一反射錐面鏡，且使它們的光軸對(duì)齊，使得具有經(jīng)由在所述第一反射錐面鏡中心反射表面與所述第一反射錐面鏡遠(yuǎn)端反射表面之間反射的光路，光束經(jīng)由從所述反射表面的反射行進(jìn)通過所述反射錐面鏡系統(tǒng)，且從所述反射錐面鏡系統(tǒng)輸出； 所述反射表面中的至少ー個(gè)被進(jìn)ー步彎曲，以實(shí)現(xiàn)ー種光學(xué)效果；以及 其中，具有以下中的至少ー個(gè)特征 所述彎曲表面的形狀和局部?jī)A角由于光學(xué)性能原因被選擇成使通光孔徑的特定百分比可在中心處被遮攔；以及 所述彎曲表面的形狀和局部?jī)A角在出于或不出于光學(xué)性能原因的情況下被選擇成使任意的中心遮攔被允許。
全文摘要
提供了一種反射錐面鏡系統(tǒng)，其包括兩個(gè)或更多個(gè)反射錐面鏡，所述反射錐面鏡中的任一個(gè)、沒有任何一個(gè)或兩個(gè)可由實(shí)心光學(xué)傳輸材料形成，且該反射錐面鏡系統(tǒng)被描述用作和被實(shí)施為物鏡、中繼器和光束擴(kuò)展器。每個(gè)反射錐面鏡具有大致錐形的中心表面和類似于截頭錐形狀的遠(yuǎn)端表面，所述表面中的兩者對(duì)齊且繞著中心軸線對(duì)稱地設(shè)置。在所提供的系統(tǒng)中，所述中心軸線對(duì)齊且形成系統(tǒng)的光軸，而且另外的彎曲可被提供給任何所述表面和入射和輸出系統(tǒng)表面，以提供不同的應(yīng)用所需的附加的光學(xué)效果。而且，形成中心反射器的錐形表面可分別或均是凸形或凹形的，這易于構(gòu)造，從而減輕對(duì)作為優(yōu)選實(shí)施例的雙凹形中心反射器的有利性的依賴。
文檔編號(hào)G02B6/00GK102667572SQ201080034721
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2010年6月4日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月5日
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