反射锥面镜系统和方法 【技术领域】
本发明涉及用于光学和 / 或光子器件中的透镜的领域。更具体地讲， 本发明涉及 新颖的反射和反射折射的反射锥面镜设计以及它们用于这种器件中的实施方式。背景技术
术语 “锥面镜” 通常是指具有旋转对称的精确锥形表面的特殊类型的折射透镜。 折 射锥面镜已经用于许多光学应用场合中， 且相对较直接简单地制作。它们已经用于将点光 源作为沿着光轴的线成像， 或用于将准直激光束变换为环。它们还已经用于将高斯光束变 换到近似的贝塞耳光束。
以术语 “reflaxicon” 表示的反射锥面镜首先由 Edmonds 在 1973 年提出， 他从理论 基础上稍微探讨研究了它。(“The Reflaxicon， a New Refective Optical Element， and Some Applications″ APPLIED OPTICS ； Vol.12， No.8 ； 1973 年 8 月 )。然而， 从那以后， 已 经发现了反射锥面镜在光学技术领域中仅具有有限的切合实际的应用。 从理论角度看， 反射锥面镜通常包括主锥形镜 1 和较大的从锥形镜 2， 所述从锥形 镜 2 相对于主镜 1 同轴地定位， 如图 1A 所示。从镜 2 被截头， 从而产生轴向或中心开口 2A， 所述开口具有等于或大于主镜 1 的根部直径 1A 的内径。如图 1A 所示， 这种组合的一个通 常的功能是以基本无损失的方式将实心光束 ( 例如， 高斯强度分布的激光束 ) 转换为空心 光束。通过将实心光束转换为环状， 反射锥面镜通过反射方式实现锥面镜通过折射方式实 现的作用。此外， 从锥体 2 的半角 θ2 和主锥体的半角 θ1 可被选择成产生会聚、 平行或发 散光束。而且， 通过成对地配置反射锥面镜， 理论上可实现多种其他功能， 例如使反射锥面 镜对的初始从镜 2 弯曲来补偿图 1B 所示的入射光线的无衍射有限的光束发散。而且， 尽管 反射锥面镜的理论上的可能性已经得到一些有限的挖掘研究， 但它们的实际应用已经受到 限制。因此， 本发明在反射锥面镜的实际实施和在光学系统中的应用以及它们在光学和光 子器件中的结合方面进行了外向扩展。
发明内容
首先， 本发明已经开发了用于实际应用的反射锥面镜， 且该反射锥面镜被实施为 用于成像或非成像应用场合的窄公差容许或宽公差容许的光学器件。 用于成像的窄公差容 许的光学器件的应用例子包括 ： 衍射有限的中继物镜 ( 有限共轭成像 )、 衍射有限的显微镜 物镜 ( 有限和无限共轭成像 )、 衍射有限的高功率激光聚焦物镜、 激光束发送系统 ( 用于光 束扩展器、 光学光瞳中继器和光束成形系统的无焦点设计 )。用于成像的宽公差容许的光 学器件的应用实例包括 ： 无衍射有限的中继物镜 ( 有限共轭成像 )、 无衍射有限的显微镜物 镜 ( 有限和无限共轭成像 )、 激光聚焦物镜和激光束发送系统。 用于非成像的宽公差容许的 光学器件的应用实例包括 ： 照明和光线聚集光学器件、 例如 LED 收集准直器、 太阳光聚集器 和这种元件的阵列。在光学技术领域， 反射锥面镜的这些应用中没有任何一个应用已经获 得切实可行的改进。在这种情况下， 本发明已开发和发明了基于由光学玻璃制成的实心反射锥面镜 ( 被分成或是仅纯反射设计， 或是既基于折射又基于反射原理工作的反射折射设 计 ) 和空心反射锥面镜 ( 仅反射工作 ) 的结构以及前述的各种组合。
反射锥面镜独自的使用是固有的有益改进， 因为纯反射光学系统固有地不具有色 差问题。而且， 本发明可在它们的极限情况下是无遮拦的 ( 这在纯反射系统中是常见的问 题 )。 可选地， 遮拦的量可被选择成适应应用。 此外， 本发明不需要光束分束器、 倾斜或偏轴 构件， 且本发明优选是轴向对称的， 这使得它们可比典型的全反射系统明显更简单和更容 易地实施。前面描述的进一步的细节通过参看附图和以下的描述将变得显而易见。 附图说明
图 1A 提供了反射锥面镜的基本示意性侧视图。
图 1B 提供了包括一对反射锥面镜的反射锥面镜系统的基本示意性侧视图。
图 2 提供了本发明的基本实心内部反射锥面镜系统的示意性侧视图， 其具有平坦 的输入 / 输出部。
图 3 提供了图 2 中所示的实心基本内部反射锥面镜系统的示意性侧视图， 其具有 同心输出分界面。 图 4 提供了本发明的基本内部反射锥面镜系统的剖切透视侧视图， 其具有同心输 出分界面。
图 5A 提供了本发明的基本实心内部反射锥面镜系统的剖切侧透视图， 其具有同 心输出分界面， 该同心输出分界面被实施在外壳中， 该基本实心内部反射锥面镜系统适合 于例如用作显微镜物镜。
图 5B 提供了在用作显微镜物镜中的图 5A 所示的通常类型的反射锥面镜系统和壳 体的侧透视图。
图 6A 提供了示意性侧视图， 该示意性侧视图示出了入射光线行进通过具有同心 输出分界面的本发明的基本实心内部反射锥面镜系统的过程中的第一步。
图 6B 提供了示意性侧视图， 该示意性侧视图示出了入射光线行进通过图 6A 所示 的内部反射锥面镜系统的过程中的第二步。
图 6C 提供了示意性侧视图， 该示意性侧视图示出了入射光线行进通过图 6A 所示 的内部反射锥面镜系统的过程中的第三步。
图 7 提供了示意性侧视图， 该示意性侧视图示出了入射光线行进通过具有同心输 出分界面的本发明的基本内部反射锥面镜系统的过程， 其中， 所述同心输出分界面不具有 增加的反射涂层。
图 8 提供了示意性侧视图， 该示意性侧视图示出了在入射光线的角度小于临界角 度的区域处增加了反射涂层之后的入射光线行进通过图 7 的反射锥面镜系统的过程。
图 9A 提供了包括与其相关的工程设计细节的实心反射锥面镜系统的示意性剖视 图。
图 9B 提供了图 9A 的锥形中心反射器 10B 的更详细的剖视图。
图 10A 提供了本发明的空心外部反射锥面镜系统的示意性侧视图， 其适合于与前 面所述的实心反射锥面镜系统相同的总的应用类型。
图 10B 提供了被实施在合适的壳体中的基本外部反射锥面镜系统的分解的局部
剖切侧透视图。
图 10C 提供了图 10B 中示出的基本外部反射锥面镜系统的组装的局部剖切侧透视 图。
图 10D 提供了图 10B 中所示的基本外部反射锥面镜系统的组装的侧视图。
图 11 提供了具有同心输出分界面和凹形第二反射锥面镜的内部反射锥面镜系统 的局部剖切侧透视图。
图 12 提供了使用两个凹形反射锥面镜的具有同心输出分界面的内部反射锥面镜 系统的局部剖切侧透视图。
图 13 提供了被实施成用作光束扩展器、 包括光束成形的内部反射锥面镜系统的 局部剖切侧透视图。
图 14A 提供了一种被实施用作中继器的内部反射锥面镜系统的示意性侧视图， 其 使用了两个凹形反射锥面镜， 且具有对称的同心输入和输出分界面。
图 14B 提供了一种被实施为用作光束扩展器的内部反射锥面镜系统的示意性侧 视图， 其使用了两个凹形反射锥面镜， 且具有非对称的同心输入和输出分界面。
图 14C 提供了一种被实施用作显微镜物镜的内部反射锥面镜系统的示意性侧视 图， 其使用了两个凹形反射锥面镜， 且具有非对称的输入和输出分界面。
图 14D 提供了一种被实施用作光束扩展器的内部反射锥面镜系统的示意性侧视 图， 其使用了两个凹形反射锥面镜， 且具有径向非对称的同心输入和输出分界面。
图 15A 提供了一种反射锥面镜系统的局部剖切侧透视图， 其组合了内部和外部反 射锥面镜， 且从一个方向使用与凸形反射器相同的中心锥体， 从另一个方向使用与凹形反 射器相同的中心锥体， 其中， 实心上半体用作内部反射锥面镜， 且具有与具有凸形中心反射 器表面的用作外部反射锥面镜的空心下半体耦合的凹形中心反射器表面。
图 15B 提供了一种反射锥面镜系统的局部剖切侧透视图， 其组合了内部和外部反 射锥面镜， 且从一个方向使用与凸形反射器相同的中心锥体， 从另一个方向使用与凹形反 射器相同的中心锥体， 其中， 空心上半体用作外部反射锥面镜， 且具有与具有凹形中心反射 器表面的用作内部反射锥面镜的实心下半体耦合的凸形中心反射器表面。
图 16A 提供了一种反射锥面镜系统的局部剖切侧透视图， 其组合了内部和外部反 射锥面镜， 且从一个方向使用与凸形反射器相同的中心锥体， 从另一个方向使用与凹形反 射器相同的中心锥体， 其中， 空心上半体用作外部反射锥面镜， 且具有与具有凸形中心反射 器表面的用作内部反射锥面镜的实心下半体耦合的凹形中心反射器表面。
图 16B 提供了一种反射锥面镜系统的局部剖切侧透视图， 其组合了内部和外部反 射锥面镜， 且从一个方向使用与凸形反射器相同的中心锥体， 从另一个方向使用与凹形反 射器相同的中心锥体， 其中， 实心上半体用作内部反射锥面镜， 且具有与具有凹形中心反射 器表面的用作外部反射锥面镜的空心下半体耦合的凸形中心反射器表面。
图 17A 提供了第一种实心反射锥面镜系统的局部剖切侧透视图， 其从一个方向使 用与凸形反射器相同的中心锥体， 从另一个方向使用与凹形反射器相同的中心锥体。
图 17B 提供了第二种实心反射锥面镜系统的局部剖切侧透视图， 其从一个方向使 用与凸形反射器相同的中心锥体， 从另一个方向使用与凹形反射器相同的中心锥体。
图 18A 提供了第三种实心反射锥面镜系统的局部剖切侧透视图， 其从一个方向使用与凸形反射器相同的中心锥体， 从另一个方向使用与凹形反射器相同的中心锥体。
图 18B 提供了第四种实心反射锥面镜系统的局部剖切侧透视图， 其从一个方向使 用与凸形反射器相同的中心锥体， 从另一个方向使用与凹形反射器相同的中心锥体。
图 19A 提供了一种反射锥面镜系统的示意性横截面， 其被设计成使入射主光线作 为边缘光线输出， 反之亦然。
图 19B 提供了一种反射锥面镜系统的局部剖切侧透视图， 其被设计成在第二和第 三反射之间产生环焦。
图 20 提供了一种相关的几何形状的示意性横截面 ( 在反射光学系统中是好理解 的， 例如抛物线和椭圆形 )， 该几何形状对根据本发明的反射锥面镜系统的设计来说是基本 的。
图 21A 提供了一种反射锥面镜系统的透明的示意性透视图， 示出了进入光线的分 布并不是必须被保持， 即使在光线排序时。
图 21B 提供了被形成为一个实心单件式的反射锥面镜系统的示意性横截面。
图 22 提供了示出了一种反射锥面镜系统的示意性横截面， 其中， 数值孔径的中心 部分的光线沿循一个路径通过系统， 而来自外数值孔径的光线沿循不同的路径， 且使用了 多个不同的光学系统。 图 23 提供了一种示意图， 其具有以 S1-S8 表示的相关表面， 且被提供作为用于解 释图 24A、 25A、 26A、 27A 和 28A 的参考。
图 24A 提供了与根据本发明制造的空心和实心反射锥面镜系统相关的技术细节， 其具有 4.0mm 的有效焦距、 50X 的放大倍率、 0.45 的数值孔径， 且所述系统特别令人感兴趣， 有益地用作显微镜物镜的场合。
图 24B 提供了根据图 24A 中提供的技术细节制造的空心和实心反射锥面镜系统的 示意图。
图 25A 提供了与根据本发明制造的空心和实心反射锥面镜系统相关的技术细节， 其具有 2.5mm 的有效焦距、 80X 的放大倍率、 0.45 的数值孔径， 所述系统特别令人感兴趣， 有 益地用作显微镜物镜的场合。
图 25B 提供了根据图 25A 中提供的技术细节制造的空心和实心反射锥面镜系统的 示意图。
图 26A 提供了与根据本发明制造的空心和实心反射锥面镜系统相关的技术细节， 其具有 2.2mm 的有效焦距、 92.2X 的放大倍率、 0.50 的数值孔径， 所述系统特别令人感兴趣， 有益地用作显微镜物镜的场合。
图 26B 提供了根据图 26A 中提供的技术细节制造的空心和实心反射锥面镜系统的 示意图。
图 27A 提供了与根据本发明制造的空心和实心反射锥面镜系统相关的技术细节， 其具有 1.9mm 和 1.8mm 的有效焦距、 105.3X 和 113X 的放大倍率、 0.55 和 0.58 的数值孔径， 所述系统特别令人感兴趣， 有益地用作显微镜物镜的场合。
图 27B 提供了根据图 27A 中提供的技术细节制造的空心和实心反射锥面镜系统的 示意图。
图 28A 提供了与根据本发明制造的空心和实心反射锥面镜系统相关的技术细节，
其具有 2.3mm 的有效焦距、 87X 的放大倍率、 0.74 的数值孔径， 所述系统特别令人感兴趣， 有 益地用作显微镜物镜的场合。
图 28B 提供了根据图 28A 中提供的技术细节制造的空心和实心反射锥面镜系统的 示意图。
图 29A 提供了两件空心反射锥面镜系统的示意图， 其提供了理论上 100％的传输， 但仍在会聚的输出光束中具有中心遮拦。
图 29B 提供了一件实心反射锥面镜系统的示意图， 其提供了理论上 100％的传输， 但仍在会聚的输出光束中具有中心遮拦。 具体实施方式
图 2 和 3 提供了对本发明的基本实心内部反射锥面镜系统的一些概念的初步介 绍。通常， 在这些附图中， 准直入射光束 100 进入内部反射锥面镜系统中， 且作为会聚光束 200 射出。然而， 本领域的技术人员可以理解， 对于沿着相反路径进入而作为准直光束射出 的会聚光束来说， 说明同样是有效适用的。然而， 对于光束 100 作为入射光束的情况来说， 将看到图示的基本系统具有三个基本构件 ： 入射部分 10、 输出部分 20 和包括空腔 30 的中 心部分。入射部分 10 的特征在于， 具有平坦的输入表面 10A、 内锥形中心反射表面 10B( 在 此， 也称作第一反射锥面镜内中心反射表面 ) 和内环形或环绕的倾斜反射侧表面 10C( 在 此， 也称作第一反射锥面镜内远端反射表面 )。然而， 在这点应当指出， 术语 “锥形” - 尽管 基本和总体上是正确的 - 但不应认为将这些表面限制为精确的锥形形状， 因为绝大部分的 表面增加有较高阶的非球面项， 以优化用于给定的应用场合。 利用反射锥面镜的本发明与其他反射系统或反射折射系统之间的重要区别在于， 所采用的两个或更多个锥形反射表面应认为是 “大致锥形的” 。在真实锥形的回转表面 ( 因 此， 为旋转对称表面 ) 的顶点处， 所述表面的偏导数是不连续的。锥体的所有侧共同地会聚 于单个点， 在所述单个点处， 导数未被定义。 实际中， 由于制造公差原因， 该奇异点不能真实 地制造。或者通过设计它可为 ： 顶点有目的地被选择成通过增加较高阶的非球面项不是不 连续的。通常， 给定反射表面的垂度， z(r)， 通过奇次非球面模型描述。该多项式必须包含 径向坐标， r， 的偶数次幂和奇数次幂， 如以下总的表达式所给出， 显示出， 对于垂度， 总共 N 个偶数项和奇数项来修改球面等式 ：
其中， c 是曲率， k 是锥形常数， ai 是多项式的系数。限于八项的更为限制性的形 式可被写为 ：
在任一情况下， 是奇数次幂项， 更尤其是 rl 项为反射锥面镜的表面赋予本发明中 采用的其圆锥形性能。
通过参看图 2 和 3 中所示的光路可以看出， 中心第一锥形表面 10B 和倾斜的第一 侧锥形表面 10C 基本上分别用作反射锥面镜对中的第一反射锥面镜的主、 从锥形表面。同 样地， 中心第二锥形表面 20B( 在此， 也称作第二反射锥面镜内中心反射表面 ) 和倾斜的第
二侧锥形表面 20C( 在此， 也称作第二反射锥面镜内远端反射表面 ) 基本上分别用作所述反 射锥面镜对中的第二反射锥面镜的主、 从锥形表面。 然而， 本发明的该初始实施例与先前描 述的成对的反射锥面镜系统的区别不仅在于， 其在此描述的应用， 而且还在于 ： 它基于在固 体介质 ( 形成入射部分 10 和输出部分 20 的光学玻璃 ) 内产生的反射和光路， 以及因此它 可主要依赖于限界出空腔 30 的反射表面 ( 表面 10B、 10C、 20B 和 20C) 处的全内反射 (TIR) 的光学原理、 而胜于依赖于这些表面处的镜面。
全内反射 (“TIR” ) 是一种光学现象， 该光学现象发生于介质边界例如表面 10B、 10C、 20B 和 20C 处， 在此处， 光线在边界处被足够地折射， 以防止其传输通过边界， 从而有效 地将它回送回来， 即， 反射所有光线。当光线跨过具有不同的折射系数的材料之间的边界 时， 光束可部分在边界处折射和部分被反射。全内反射 ( “TIR” ) 仅可发生于光线从具有较 高的折射系数的介质 ( 通常为密度较大的材料， 例如形成入射部分 10 和输出部分 20 的材 料 ) 行进到具有较低的折射系数的介质 ( 通常为密度较小的介质， 例如空腔 30 的空气 ) 的 位置处。因此， 例如， 当光线初始进入入射部分 10 时， 它可发生于从构成部分 10、 20 的材料 传递到空腔 30 中的空气时， 但不会发生于从空气传递到玻璃时。
“临界角” 是入射角， 这种全内反射发生于大于该入射角时， 且入射角相对于折射 边界 ( 表面 10B、 10C、 20B 和 20C) 处的 “法线” 测量。因此， 如果入射角大于 ( 即， 较接近边 界， 而远离法线 ) 临界角， 入射光线会完全地被阻止跨过表面， 而是完全内反射回来 ( 如图 2 和 3 所示 )。对于从玻璃行进到空气 ( 或真空 ) 中的可见光来说， 临界角为近似 41.5 度。 因此， 在示出的实施例中， 在每个表面 10B、 10C、 20B 和 20C 处的入射光线的临界角将始终满 足或超过该数字， 如这些图所示。 本设计中的进一步的改进示于图 2 和图 3 之间的区别中。图 2 具有输出部分 20， 所述输出部分 20 具有平坦的输出表面 20A。 如下所述， 在这种状态下， 折射将发生于平坦的 输出表面 20A 处， 所述输出表面 20A 形成构成输出部分 20 的光学玻璃与较小密度的外部环 境介质 ( 空气 ) 之间的分界面。表面 20A 上的入射光线的角度小于临界角， 因此， 被轻微折 射， 而不被反射。该折射可被计算出并被补偿、 和 / 或包括在与本发明的不同应用相关的设 计计算中。 然而， 在大部分实施例中， 我们认为， 优选地， 通过提供与焦点同心的球形输出表 面 20A’ 来避免这种问题， 如图 3 所示， 使得表面 20A’ 上的入射光线与其表面正交而没有折 射发生。通过这种方式， 由色散折射光学材料构成的光学系统对轴向光束完全消色差地被 制成， 因为该系统中的所有光功率仅由非色散反射表面给予。
尽管图 2 和 3 对于理解本发明的基本思想来说是重要的， 但图 4 和 5A 以具有同心 输出分界面的实心内部反射锥面镜系统的基本构件的剖切透视侧视图的形式提供了本发 明的构件的更切合实际的图示。如未包括用于锥面镜系统的外壳的图 4 所示， 入射部分 10 和输出部分 20 可在它们的接合部 40 处设有互锁表面 10D 和 20D， 以便当将入射部分 10 和输 出部分 20 例如经由合适的粘接剂 ( 例如光学接合剂 ) 连接起来时提供一种更坚固的结构， 以及以便确保这两个部件正确地对齐且对中于光轴 500 上。然而， 如图 5A 所示， 优选地， 为 本发明的内部反射锥面镜系统提供壳体 50， 以保护组件， 从而， 帮助以正确地间隔开和对齐 的关系将其部件保持在一起， 以及使它适用于特殊的应用场合， 例如， 用于显微镜物镜 ( 如 图 5B 所示 ) 或用于其他一些应用。
如图 5A 进一步所示， 入射部分 10 和输出部分 20 的外部结构以及壳体 50 的内部
结构设计成以这种方式匹配， 以便更好地确保， 输出部分 20 和入射部分 10 紧密地接触且正 确地对齐并定中于光轴 300 上。在该实例中， 壳体 50 具有第一部分 50A 和第二部分 50B， 所 述第一部分 50A 和第二部分 50B 在咬合锁定接合部 50C 处接合。环形槽 50D 形成在壳体 50 的内表面中， 且与入射部分 10 的环形凸缘型延伸部 10E 配合， 以便在输出部分 20 上方以正 确的轴向对齐状态保持该部分， 而内壁 50E 相对于输出部分 20 起着相同的目的。而且， 为 第一部分 50A 的一部分的咬合锁定接合部 50C 的部分被设计成用于当它被咬合到位时将入 射部分 10 牢固地向下挤压到输出部分 20 上。此外， 与前面所述的全内反射的原理一致， 壳 体还提供了与表面 10C 和 20C 的工作 ( 反射 ) 部分邻近的内部空间 50F、 50G。
图 6A-9B 用于进一步深入地讨论本发明的操作以及解释附加细节和对其的改进。 本发明及其反射表面的操作的逐步观察图初始提供在图 6A-6C 中。在图 6A 中， 准直入射光 束 100 经由平坦的输入表面 10A 进入入射部分 10( 平坦的输入表面 10A 与光束正交， 因此 不会产生折射 )， 且达到锥形中心表面 10B。 在图 6B 中， 它被反射到环绕的倾斜侧表面 10C， 且进而反射到输出部分 20 的倾斜的第二侧锥形表面 20C。它从倾斜的第二侧锥形表面 20C 反射到中心第二锥形表面 20B， 并从此经由同心弯曲的输出表面 20A’ 作为会聚光束 200 射 出。( 参看图 6C)。从前面的讨论转到参看图 7 和 8， 附加设计问题及其解决方案被示出。 通常， 反射锥面镜对的表面形状可在优化过程中受到约束， 以便在所有四个反射表面上的 整个被使用的孔径上产生全内反射。 然而， 可能出现以下设计情形 ： 该约束必须被解除 ( 利 用另外的自由度 )， 以便提高光学性能。在图 7 中， 示出了示意性侧视图， 该图示出了入射 光线通过不具有增加的反射涂层的内部反射锥面镜系统的传输， 其反射表面形状在设计时 不考虑在整个通光孔径上产生 TIR。如该图中所示， 这种实施例的问题可能发生于反射表 面 10B、 10C 和 20C 相应的某些区域 10B’ 、 10C’ 和 20C’ 中， 在所述某些区域中， 入射光线的 角度小于临界角， 因此， 全内反射不会产生。然而， 这种问题可很容易地通过施加受影响的 区域 10B’ 、 10C’ 和 20C’ 所需的或在适当的情况下整个反射表面所需的反射涂层 10B” 、 10C” 和 20C” 减轻， 其中， 受影响的区域 10B’ 、 10C’ 和 20C’ 为整个反射表面的一部分。( 参看图 8)。最后， 在已经探究了实心设计的理论和实际方面的情况下， 图 9A 和 9B 提供了一种其实 施方式的明显更具体的示例， 图 9A 提供了一种包括与其相关的工程细节的实心反射锥面 镜系统的示意性剖视图， 图 9B 提供其锥形中心反射器 10B 的更详细的剖视图。
在轴向对称反射系统或反射折射光学系统的设计中的一个重要的考虑因素是， 在 这种设计中容许的中心遮拦的百分比。在它们的极限下， 本发明的反射锥面镜系统可被设 计和制作成固有地没有中心遮拦。 这种特征到目前为止还不可通过传统的轴向对称反射光 学系统或反射折射光学系统实现。对于传统的轴向对称反射或反射折射聚焦系统 ( 物镜， 成像器， 中继器， 陆地或太空望远镜 )， 中心遮拦是期望的输出数值孔径、 和输入光束直径或 焦距的函数。对于传统的无焦点系统， 轴向对称反射或反射折射光学系统 ( 望远镜或光束 扩展器 ； 这些较不常见 )， 中心遮拦度是期望输出光束直径和输入光束直径或放大比率的 函数。 在任一种情况下， 最小遮拦比方面存在根本限制 ： 它明显大于零。 通常， 当实施轴向对 称反射或反射折射系统时， 这种中心遮拦是不利的必然物， 因为光线传输的损失、 在中等范 围的空间频率下的减小的成像对比以及其他成像伪差。然而， 这些负面影响历史上已经得 到容许， 由于当与它们的等效的全折射相比器件相比时， 轴向对称反射或反射折射光学系 统具有其他有益的贡献 ： 即， 在超宽波长光谱区上的一致的性能、 在高数值孔径上的衍射受限的性能、 紧凑的机械包封、 提高的工作距离、 降低的复杂性和其他各种积极方面。本发明 的反射锥面镜设计不仅保留了传统的轴向对称反射或反射折射设计的所有优点， 而且还另 外具有它们等效的全折射相比器件享有的无损失的传输和较高级的衍射受限性能的优点。
应重要地指出， 无遮拦反射系统或反射折射系统在现有技术中确实存在 ( 且是常 见的 )， 但这些系统必须被强迫地离轴使用 ( 仅使用以另外方式轴向定中光学系统的部分 孔径 )， 或者它们必须使用倾斜的、 偏心的或其他自由形状的光学表面。这种表面破坏了光 学系统相对于进入光束的轴向对称性。 轴向对称性的这种损失产生这种无遮拦反射或反射 折射系统的主要缺点。它们仅可支持低的数值孔径， 所述低的数值孔径严重地限制要求高 的性能的光学系统的总的通用性。 这种系统的另一主要不足是， 制作和对齐这种倾斜的、 偏 心的、 离轴的或自由形状的光学元件时存在困难， 从而产生高的成本， 所述高的成本实际上 又不可使得产生高的产量或低成本的应用。本发明避免了所有这些缺点。
此外， 如图 10A-10D 所示， 本发明也可以空心外部反射形式实施。图 10A 提供了空 心外部反射锥面镜系统的第一示意性侧视图， 所述空心外部反射锥面镜系统使用大致锥形 镜子， 以便达到与之前描述的实心内部系统相同的总体效果。在图 10A 中， 准直入射光束 100 进入反射锥面镜系统中， 且如前面实施例中所述的那样作为会聚光束 200 射出。 在该实 施例中， 入射部分 ( 总体上通过 }11 表示 ) 包括大致锥形中心反射器 11B( 在此， 也称作第 一反射锥面镜外中心反射表面 ) 和环绕的倾斜侧反射器 11C( 在此， 还称作第一反射锥面镜 外远端反射表面 )。如前， 中心第一锥形反射器 11B 和倾斜的第一侧锥形反射器 11C 分别 用作反射锥面镜对中的第一反射锥面镜的主、 从锥形表面。同样， 输出部分 ( 通常以 }12 表 示 ) 包括中心第二锥形反射器 21B( 在此， 还称作第二反射锥面镜外中心反射表面 ) 和倾斜 的第二侧锥形反射器 21C( 在此， 还称作第二反射锥面镜外远端反射表面 )， 它们分别用作 所述反射锥面镜对中的第二反射锥面镜的主、 从锥形表面。
图 10A 中示意性地示出的设计的一种更具体和切合实际的实施方式示于图 10B、 10C 和 10D 中， 这些图分别提供了分解的局部剖切透视性侧视图、 已被组装的局部剖切透视 性侧视图和实施在合适的壳体 60 中的该空心反射锥面镜系统的组装的侧视图。可以指出， 该系统优选形成有镜面 11C 和 21C， 所述镜面分别被形成为壳体 60 的第一外壳体部分 60A 和第二外壳体部分 60B 的一体式内表面。中心第一锥形反射器 11B 和中心第二锥形反射器 21B 被形成为支撑件 70 的一体部分， 所述支撑件 70 悬置在壳体 60 的内凹腔 80 中。
根据上述实心和空心反射锥面镜的描述， 本发明提供了具体设计实例， 用于替换 传统的全折射长工作距离的显微镜物镜。下面的示例 ( 参看图 23-28) 具有类似的第一级 性能 ( 焦距、 放大倍率和视场 ) 以及它们的全折射相比器件的衍射受限的光学性能。此外， 所有均具有零值的理论遮拦比 (100％的传输通过 )。所有均享有整个紫外线、 可见光和红 外波长光谱上的零轴向色差， 这对于全折射设计来说是不可能的。全反射旋转对称设计形 式的一个关键特征是， 它们可通过它们的特性比它们的全折射相比器件实现更长的工作距 离。示出的反射锥面镜设计具有 3-4 倍于它们的全折射相比器件的工作距离， 这对于在 50x-200x 的较高的放大倍率范围下工作的显微镜物镜来说特别有利。
上述设计尽管非常广泛全面但绝不是详尽了本发明的可能性。在这点上， 应当指 出， 根据本发明的教导， 反射锥面镜系统可以以下多种形式实施 ： 中心锥形反射表面中的任 一个或两者 ( 至此不同地称作表面 10B、 20B、 11B 或 21B) 可采用相反设计或为 “凹形” (而不是如前面的图所示的 “凸形” )， 且前面已经讨论的对基线设计的其他变化可具有专门的 应用场合。 在这点上， 图 11 提供了具有凹状锥形反射表面 20B’ 的内部反射锥面镜系统的局 部剖切侧透视图， 且示出了该设计特有的光路。同样， 图 12 提供了使用两个凹形中心锥形 反射表面 10B’ 和 20B’ 的内部反射锥面镜系统的局部剖切侧透视图， 且示出了该设计特有 的光路。与这些设计不同， 图 13 提供了一种内部反射锥面镜系统的局部剖切侧透视图， 其 中， 中心锥形反射表面均没有采用相反设计。然而， 在该实施例中， 输出表面 20A 是平坦的 ( 因为入射到其上的光线平行于准直光束 100)， 且各种反射表面 10B、 10C、 20B 和 20C 的设 计表面垂度选择成用于允许反射锥面镜系统起着 2X 光束扩展器的功能， 包括光束成形 ( 例 如， 高斯光强度分布特征到平顶光强度分布特征 )。
在本发明中已经介绍了使用凹形中心锥形反射表面 10B’ 和 20B’ 的可能性， 但还 必须指出， 这种反射表面由于它们的结构的简易性而通常是优选的。例如图 9 中示出的凸 形 - 凸形中心锥体结构在一些方面是适合批量生产的最容易的形式， 因为光学表面的负部 分 (negative) 容易通过单点金刚石切削 (SPDT) 产生。因此， 可容易构造这样的模具 ： 该模 具可使许多成型的复制体由球形、 非球形和它们的自由形状表面制成。 然而， 这种类型的创 建原型是困难的， 因为产生形状的正部分 (positive) 需要在凸形反射中心锥形表面的顶 点处具有不连续性 ( 因为它们的锋利尖点实际中将被 SPDT 工具的顶端的有限半径折衷 )。 同样地， 空心凸形 - 凸形形状 ( 例如如图 10A-10D 所示 ) 也容易通过 SPDT 制作。而且， 尽 管可想到包括这些系统的部件可被模制， 但模具需要凸形锥面镜的负部分， 且还在凸形反 射中心锥形表面 11B 和 21B 的顶点处产生折衷条件。然而， 对于本发明的实心和空心形式， 这些问题可通过使用图 12 所示类型的凹形 - 凹形中心锥形反射器避免。这种形式在所示 的实心形式中有助于 SPDT， 在空心形式中有助于通过模制成型进行大量制造。
而且， 与前面的讨论相一致， 图 14A、 14B 和 14C 提供了优选实施例的其他重要的示 例， 其中， 中心锥形反射表面 10B 和 20B 均为凹形。图 14A 提供了一种内部反射锥面镜系统 的示意性侧视图， 该内部反射锥面镜系统使用两个凹形反射锥面镜， 且具有被实施成用作 有限共轭成像中继器的对称同心输入和输出分界面。图 14B 提供了一种内部反射锥面镜系 统的示意性侧视图， 该内部反射锥面镜系统使用两个凹形反射锥面镜， 且具有被实施成用 作光束扩展器的非对称的同心输入和输出分界面。图 14C 提供了一种内部反射锥面镜系统 的示意性侧视图， 该内部反射锥面镜系统使用两个凹形反射锥面镜， 且具有被实施为用作 显微镜物镜的非对称的同心输入和输出分界面。图 14D 提供了一种内部反射锥面镜系统的 示意性侧视图， 该内部反射锥面镜系统使用两个凹形反射锥面镜， 且具有被实施为用作光 束扩展器的径向非对称的同心输入和输出分界面。 这些图还示出了一种技术， 其中， 反射光 学表面 10B、 10C、 20B 和 20C 保持不变， 且仅入射表面 10A 和输出表面 20A 被调节用于产生 迥异的光学系统。( 这种设计的制造和实施的优点和成本节省的可能性是不言而喻的 )。
此外， 图 15A-18B 提供了混合系统的多个示例， 该混合系统组合了实心 ( 内部 ) 和 空心 ( 外部 ) 反射锥面镜系统。这些系统的独特性还在于， 对于该系统的一半， 使用与凸形 反射表面相同的中心锥形反射表面， 而对于该系统的另一半， 则使用与凹形反射表面相同 的中心锥形反射表面。参看附图， 可以看出， 图 15A 和 15B 提供了一种反射锥面镜系统的视 图， 该反射锥面镜系统组合内部反射锥面镜和外部反射锥面镜， 且从一个方向使用与凸形 反射器相同的中心锥体， 从另一个方向使用与凹形反射器相同的中心锥体， 其中， 空心半体用作外部反射锥面镜， 所述外部反射锥面镜与用作内部反射锥面镜的实心半体耦合。在图 15A 和 15B 示出的每个实施例中， 还可将反射器从凸形变化到凹形和反之亦然， 如图 16A 和 16B 中所示， 图 16A 和 16B 提供了反射锥面镜系统的视图， 该反射锥面镜系统也组合了内部 反射锥面镜和外部反射锥面镜， 且从一个方向使用与凸形反射器相同的中心锥体， 从另一 个方向使用与凹形反射器相同的中心锥体， 但具有上述变化。
图 17A-18B 提供了包括一个实心元件的完整的配对的反射锥面镜光学系统的示 例 ( 还参看图 21A 和 21B)。首先参看图 17A 和 17B， 可以指出 ( 与前面的示例相同 )， 有两 个反射锥面镜结合到这些图中示出的反射锥面镜系统中， 且与如图 16A 和 16B 所示的例子 相同， 中心锥形反射表面 11B、 11B’ 、 20B、 20B’ 用作凹形 ( 例如， 11B’ 、 20B’ ) 和凸形 ( 例如， 11B、 20B) 反射器。这些实施例的另一特征是， 实心反射锥面镜系统的入射侧上的包围中心 锥形反射表面 11B、 11B’ 、 20B、 20B’ 的入射中心井 90， 所述入射中心井 90 具有侧壁 90A。在 从中心锥形区段 11B、 11B’ 的第一反射之后， 当光线在侧壁 90A 处进入介质时， 会产生折射。 折射面 ( 即， 90A) 可被使得与入射光线垂直， 因此， 该设计可从根本上免受色效应。( 例如， 参看图 21A 和 21B)。尽管模制成型过程可对能够产生的形状产生一些限制， 但图 21B 示出 了一种总体上可与模制成型技术兼容的整体式设计。而且， 与所示的其他例子相同， 该形 状可被调节成适合其他光学功能， 例如光束扩展器或中继镜。图 18A 和 18B 和 21 与图 17A 和 17B 共享整体式设计， 但图 18A 和 18B 示出了具有折射分界面 90A’ 的输出中心井 90’ ， 其中， 从光学介质内到光学介质外的过渡发生在从中心锥形表面 21B、 21B’ 的最后的反射之 前。( 还参看用于一个实施例的图 21A 和 21B， 该实施例具有入射和输出中心井 90、 90’ ， 但 反射锥面镜不共享相同的中心锥体 )。
在提供的光学系统中使用反射锥面镜的一个副产物通常是入射光能的再分布或 者再排序。在图 19A 中， 按照惯例， 本领域的技术人员将与光轴 300 一致的入射光线称作 “主光线” 400。与光轴平行但位于物空间中的入射光束的周边处的入射光线称作 “边缘光 线” 500。在使用反射锥面镜形式下， 可有意地使这两个关键光线的角色颠倒。入射主光线 400 作为输出边缘光线 400′输出 ； 入射边缘光线 500 作为输出主光线 500’ 输出。该颠倒 由两个光线彼此交叉或与光学系统的中心线交叉的次数决定。如果这些事件的总和是偶 数， 则它们从进入到输出的位置将被保持 ( 例如参看图 10A)。 然而， 如果这些事件的总和是 奇数， 则作为到系统的入射主光线 400 的光线作为输出边缘光线 400′输出， 入射边缘光线 500 作为输出主光线 500′输出。( 例如参看图 19A， 图 19A 示出了被设计成用于利用全内 反射、 因此不需要涂层的两件式实心形式的反射锥面镜系统 )。总体上， 光线由于反射或内 部聚焦而交叉。
除了已经讨论的形式以外， 还可利用系统内的任何反射表面来产生环焦。图 19B 示出了位于第二和第三反射之间的环焦。该环焦的产生可充当强有力的设计工具， 因为这 可使该系统分成由焦点分离的各个部分。所述部分此时可单独地被优化用于特定的功能。 与较早的结构相同， 具有一个或多个内部环焦的反射锥面镜对可被构造为空心或实心形 式， 且锥形表面可为凹形或凸形。 此外， 与先前的结构相同， 可构造出具有内部环焦的形式， 其中， 中心锥形表面一次用作凸形锥体， 第二次用作凹形锥体。而且， 任何反射或折射表面 可通过较高阶的非球面变形项的变动进一步适于实现其他期望的光学特征。
当设计基于反射锥面镜的光学系统时， 可在两个尺度上将它设计为传统系统。为了获得无遮拦的基于反射锥面镜的系统， 入射主光线必须与输出主光线共线。一旦反射系 统已经在两个尺度上被构造， 它可绕着与主光线一致的轴线旋转， 以形成具有零遮拦的轴 向对称系统。 当然， 反射表面的设计必须在心中以该旋转进行， 以便以不会晕映或以其他方 式遮拦任何光线的合适的几何形状结束。如图 20 所示， 以这种方式， 成对的反射锥面镜系 统的设计建议使用锥形区段、 例如抛物线和椭圆形， 其性能在反射光学系统中是很好理解 的。这种设计理念允许获得合适的起始设计来用于针对特定的应用进一步优化。
图 21A 示出了进入光线的分布不是必需被保持， 即使在光线排序时。在该图中， 该 图提供了绕着光轴对称设置且包括一个实心元件的完整的反射锥面镜系统的一个示例， 其 中， 主光线位置被保持， 但光线不是均匀地分布在被聚焦的光线内， 尽管入射光线空间上均 匀地分布。对于这些抛物线 / 椭圆形环焦形式， 该分布的集聚遵循入射主光线。因此， 如果 入射主光线作为主光线输出， 则在法线入射周围具有光线集聚。如果入射主光线作为边缘 光线输出， 则光线将向着较大的入射角度集中。
图 22 示出了一种光学系统， 其中， 数值孔径的中心部分的光线沿循一个路径通过 系统， 而来自外数值孔径的光线沿循不同的路径， 且使用一些数目的不同的光学系统。 所有 光线从表面 10B 和 10C 反射。中心光线路径由首先从 20D 反射离开、 然后从 20B 反射离开 的那些光线限定。外光线路径由从表面 20C 反射离开、 然后绕过表面 20D 的那些光线限定。 因此， 该图用于说明这些系统形式的大的灵活性， 且表明了， 可在单个成对的反射锥面镜光 学系统内存在多个光路。
如前面已讨论的， 除了有意地使理论上 100％无遮拦地设计反射锥面镜系统以外， 还可直接留意地将非零量的遮拦设计到一个系统中， 而仍保持 100％的理论传输通过量。 它 可被看作会聚的输出光束中的中心遮蔽。这种特征从光学性能观点看可能是有利的， 但不 具有对现有技术的遮拦的全反射或反射折射系统来说常见的典型的传输损失。 如果期望中 心遮蔽， 本发明的反射锥面镜系统可以可选地通过仅使用第一反射锥面镜入射部分 10 简 化。这示于图 29A 和 29B 中， 该图示出了两件式空心反射锥面镜系统和单件式实心反射锥 面镜系统。 均提供了理论上 100％的传输， 但在会聚的输出光束中仍具有中心遮蔽。 在这些 单个第一反射锥面镜的情况下， 具有最小直径的中心遮蔽， 所述最小直径的中心遮蔽不能 被减小， 这与定中的全反射或反射折射的现有技术设计的固有的最小中心遮拦类似。
示出的多个实施例可以给定的标称设计 (nominal design) 的窄公差容许或宽公 差容许的形式制作。对于窄公差容许的形式， 选择的制作方法直接是 SPDT 光学。对于空心 反射锥面镜系统， 选择的材料可以是任何可用金刚石切削的金属 ( 铝、 铜、 镍 )， 但优选地， 涂覆镍的材料提供最光滑的表面终层。使用多种机械、 化学或电解抛光方法的后抛光技术 可被采用， 以进一步将用金刚石切削的表面光滑到埃级表面粗糙度。金属可被涂覆有保护 性涂层或增强的镜面薄膜层积物， 或它可未被涂层且仍提供高的反射率。对于需要光线传 输的实心反射锥面镜系统， 光学聚合物的 SPDT 是最好的选择。氟化钙晶体材料也已经直接 被用金刚石切削， 且提供对 200nm 以下的波长的 UV 传输。丙烯酸树脂通过金刚石切削提供 最好的表面终层， 但其他塑性材料也是合适的。也可获得可传输 300nm 的波长的 UV 的丙烯 酸树脂。
对于宽公差容许形式的标称反射锥面镜系统， 注射成型可被采用用于实心和空心 反射锥面镜形式。模制成型过程和模腔设计将支配可实现的反射锥面镜设计。模具嵌入件由 SPDT 制造。由于模制部件的表面不规则性不能与直接的 SPDT 表面一样精确， 因此， 模制 的反射锥面镜系统在高体积的宽公差应用中是有用的。这可包括用于光源、 例如发光二极 管 (LED) 的采集透镜和其他非成像应用。
最后， 已经试图充分描述本发明的一些可能性， 但必须记住， 多种其他变化也是可 以的。因此， 应当理解， 在此描述的本发明的实施例仅是对本发明的原理的应用的说明。而 且， 上面公开的和其他特征和功能中的许多或它们的替代性实施方式可期望地组合到其他 许多不同的系统或应用中。此外， 也由权利要求限定的各种目前未预见或预料到的替代性 实施方式、 修改、 变化或改进可由本领域的技术人员做出。因此， 对说明的实施例的细节的 描述并不是用于限制权利要求的范围， 权利要求本身记载了对于本发明重要的那些特征。