反射錐面鏡系統(tǒng)和方法
【專利說(shuō)明】
[0001 ] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2010年6月4日、申請(qǐng)?zhí)枮?01080034721.4(?〇71]52010/ 001623)、發(fā)明名稱為"反射錐面鏡系統(tǒng)和方法"的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 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)】
[0003] 術(shù)語(yǔ)"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。
[0004] 以術(shù)語(yǔ)"ref laxicon"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 Reflective Optical Element,and Some 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。
[0005] 從理論角度看，反射錐面鏡通常包括主錐形鏡1和較大的從錐形鏡2,所述從錐形 鏡2相對(duì)于主鏡1同軸地定位，如圖1A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1的根部直徑1A的內(nèi)徑。如圖1A所示，這種組合的一個(gè)通常的功能 是以基本無(wú)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(guò) 將實(shí)心光束轉(zhuǎn)換為環(huán)狀，反射錐面鏡通過(guò)反射方式實(shí)現(xiàn)錐面鏡通過(guò)折射方式實(shí)現(xiàn)的作用。 此外，從錐體2的半角θ 2和主錐體的半角01可被選擇成產(chǎn)生會(huì)聚、平行或發(fā)散光束。而且，通 過(guò)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(lái)補(bǔ)償圖1Β所示的入射光線的無(wú)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】

[0006] 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(有限共輒成像）、衍射有限的顯微鏡 物鏡(有限和無(wú)限共輒成像）、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(wú)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(wú)衍射有限的中繼物鏡(有限共輒成像）、無(wú)衍射有限的顯微鏡物鏡(有 限和無(wú)限共輒成像）、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(yáng)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(méi)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。
[0007] 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(wèn)題。而且，本發(fā)明可在它們的極限情況下是無(wú)遮攔的（這在純反射系統(tǒng)中是常見的問(wèn) 題）。可選地，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(guò)參看附圖和以下的描述將變得顯而易見。
【附圖說(shuō)明】
[0008] 圖1A提供了反射錐面鏡的基本示意性側(cè)視圖。
[0009] 圖1B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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015]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(guò)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(guò)程中的第一步。
[0016]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(guò)圖6A所示的 內(nèi)部反射錐面鏡系統(tǒng)的過(guò)程中的第二步。
[0017] 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(guò)圖6A所示的 內(nèi)部反射錐面鏡系統(tǒng)的過(guò)程中的第三步。
[0018] 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(guò)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(guò)程，其中，所述同心輸出分界面不具有 增加的反射涂層。
[0019] 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(guò)圖7的反射錐面鏡系統(tǒng)的過(guò)程。
[0020] 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。
[0021] 圖9B提供了圖9A的錐形中心反射器10B的更詳細(xì)的剖視圖。
[0022] 圖10A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。
[0023] 圖10B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。
[0024] 圖10C提供了圖10B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。
[0025] 圖10D提供了圖10B中所示的基本外部反射錐面鏡系統(tǒng)的組裝的側(cè)視圖。
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 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。
[0030] 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。
[0031] 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。
[0032] 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。
[0033] 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。
[0034] 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。
[0035] 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