反射锥面镜系统和方法
【专利说明】
[0001 ] 本申请是申请日为2010年6月4日、申请号为201080034721.4(?〇71]52010/ 001623)、发明名称为"反射锥面镜系统和方法"的发明专利申请的分案申请。
技术领域
[0002] 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】
[0003] 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。
[0004] 以术语"ref laxicon"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 Reflective 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。
[0005] 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θ 2和主锥体的半角01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1Β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】
[0006] 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(有限共辄成像）、衍射有限的显微镜 物镜(有限和无限共辄成像）、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(有限共辄成像）、无衍射有限的显微镜物镜(有 限和无限共辄成像）、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。
[0007] 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】
[0008] 图1A提供了反射锥面镜的基本示意性侧视图。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017] 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。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 图9B提供了图9A的锥形中心反射器10B的更详细的剖视图。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 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。
[0029] 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。
[0030] 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。
[0031] 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。
[0032] 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。
[0033] 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。
[0034] 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。
[0035] 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