环状光学装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种环状光学装置(100)，包括：包括以旋转轴线(A)为中心的环(11)的环状中间光学装置(1)；和基本上同轴地位于环(11)内的辅助光学结构(2)。辅助光学结构(2)和环状中间光学装置(1)被具有低于辅助光学结构的折射率的介质折射率的介质(12)分隔开。辅助光学结构(2)保持样本以被入射电磁辐射照射。来自辅助光学结构(2)且在环状中间光学装置(1)的环(11)内的被改变方向的辐射在所述被改变方向的辐射的入射角超过预定入射阈值的情况下被允许进入到环状中间光学装置(1)中。环状中间光学装置(1)使被改变方向的辐射改变方向以包括基本上平行于旋转轴线(A)的被改变方向的辐射。
【专利说明】环状光学装置
[0001]本申请是申请号为201180038816.8、申请日为2011年8月I日、发明名称为“环状光学装置”的发明专利申请的分案申请。
【技术领域】
[0002]本发明涉及一种光学装置，并且更具体地涉及一种环状光学装置。
【背景技术】
[0003]发现难以测量弱电磁辐射，诸如波长为大约0.01微米至1000微米(μπι)的电磁辐射或光学辐射。这样的弱辐射可以包括在测量浑浊样本以确定浓度时通过发射荧光或发光样本产生的光、或在悬浮介质中的颗粒的反射信号。
[0004]在这样的情形中，难以在检测系统的固有噪声和样本产生的信号值之间进行区分。信噪比(SNR)是检测系统的信号值相对于噪声值的度量单位。在实践中，大约为噪声值的两倍的信号值被认为是检测系统在置信水平下区分信号值与噪声值的实际极限。
[0005]可以采用各种方法降低检测系统的固有噪声值，诸如冷却检测器来降低随机电子的热生成或通过采用信号处理技术(例如信号平均化处理)。但是这些方法在应用或有效性上是受限制的，其中达到了一极限，不能通过信号处理来实现噪声值的进一步的降低。
[0006]如果检测器的噪声值不能被进一步降低，则仅可以通过增加信号值来提高SNR。一种采用改善信号值的常用方法是将辐射聚集到检测器中。另一方法是增加激发辐射的强度。然而，增加激发束的强度由于分子键的加热或破裂而可能会损坏样本，因此受限于某一实际的阈值。
[0007]用于聚集光学辐射的传统光学元件(诸如透镜或反射镜)本质上是有方向性的，收集从特定方向或源区域沿着特定射线路径发射的辐射。典型地，在检测弱光学信号中利用的系统定位成大致垂直于激发辐射的入射束，以便最大化SNR。另外，由荧光或颗粒散射发射的大部分辐射未被检测到，这是由于辐射聚集装置的有限的对角。
[0008]可能影响光学测量系统的SNR的另一噪声源是杂散辐射。杂散辐射是可检测的辐射，其射到检测装置上，产生处于检验中的与样本或电磁现象不相关的信号。作为示例，容纳在检测器中但是没有传播通过样品或与样品相互作用的辐射是常见的杂散辐射。
【发明内容】
[0009]在本发明的一个方面中，提供了一种环状光学装置。所述环形个光学装置包括:
[0010]环状中间光学装置，所述环状中间光学装置包括以旋转轴线为中心的环；和
[0011]辅助光学结构，所述辅助光学结构基本上同轴地位于环状中间光学装置的环内，其中辅助光学结构和环状中间光学装置被具有低于辅助光学结构的折射率的介质折射率的介质分隔开，辅助光学结构配置成保持样本以被基本上沿着旋转轴线引导到辅助光学结构中的入射电磁辐射照射，其中来自辅助光学结构且在环状中间光学装置的环内的被改变方向的辐射在所述被改变方向的辐射的入射角超过预定入射阈值的情况下被允许通过辅助光学结构进入到环状中间光学装置中，以及其中环状中间光学装置使被改变方向的辐射改变方向以包括基本上平行于旋转轴线的被改变方向的辐射。
[0012]优选地，环状中间光学装置中所接收到的被改变方向的辐射基本上从环状中间光学装置的焦线径向发散，而与入射电磁辐射与旋转轴线的角度间隔无关。
[0013]优选地，所述被改变方向的辐射被环状中间光学装置接收并基本上沿着旋转轴线被改变方向，其中被改变方向的辐射从环状中间光学装置的平面环状光学表面出射。
[0014]优选地，在入射角小于预定入射阈值的情况下，被改变方向的辐射被辅助光学结构内部地改变方向，且不能穿入到环状中间光学装置中。
[0015]优选地，辅助光学结构包括能透射辐射的封闭端，所述封闭端配置成允许所述入射电磁辐射进入。
[0016]优选地，辅助光学结构包括围绕环状中间光学装置的焦线的至少一个能透射辐射的区域。
[0017]优选地，环状光学装置还包括辐射阻挡结构，所述辐射阻挡结构定位在辅助光学结构的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，其中所述辐射阻挡结构防止辐射离开辅助光学结构。
[0018]优选地，环状光学装置还包括辐射阻挡结构，所述辐射阻挡结构定位在辅助光学结构的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，并且至少部分地从环状中间光学装置的平面环状光学表面延伸出来。
[0019]优选地，环状光学装置还包括辐射阻挡结构，所述辐射阻挡结构定位在辅助光学结构的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，并且使辅助光学装置在环状中间光学装置的环内基本上居中。
[0020]在本发明的一方面中，提供可一种形成环状光学装置的方法，所述方法包括以下步骤:
[0021]设置环状中间光学装置，所述环状中间光学装置包括以旋转轴线为中心的环；和
[0022]设置辅助光学结构，所述辅助光学结构基本上同轴地位于所述环状中间光学装置的环内，其中所述辅助光学结构和所述环状中间光学装置被具有低于辅助光学结构的折射率的介质折射率的介质分隔开，辅助光学结构配置成保持样本以被基本上沿着旋转轴线引导到辅助光学结构中的入射电磁辐射辐射，其中来自辅助光学结构且在环状中间光学装置的环内的被改变方向的辐射在所述被改变方向的辐射的入射角超过预定入射阈值的情况下被允许通过辅助光学结构进入到环状中间光学装置中，以及其中环状中间光学装置使被改变方向的辐射改变方向以包括基本上平行于旋转轴线的被改变方向的辐射。
[0023]优选地，环状中间光学装置中所接收到的被改变方向的辐射基本上从环状中间光学装置的焦线径向发散，而与入射电磁辐射与旋转轴线的角度间隔无关。
[0024]优选地，被改变方向的辐射被环状中间光学装置接收并基本上沿着旋转轴线被改变方向，其中被改变方向的辐射从环状中间光学装置的平面环状光学表面出射。
[0025]优选地，在入射角小于预定入射阈值的情况下，被改变方向的辐射被辅助光学结构内部地改变方向，且不能穿入到环状中间光学装置中。
[0026]优选地，辅助光学结构包括能透射辐射的封闭端，所述封闭端配置成允许所述入射电磁辐射进入。
[0027]优选地，辅助光学结构包括围绕环状中间光学装置的焦线的至少一个能透射辐射的区域。
[0028]优选地，所述方法，还包括以下步骤:设置辐射吸收结构，所述辐射吸收结构定位在辅助光学结构的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，其中所述辐射阻挡结构防止辐射离开辅助光学结构。
[0029]优选地，所述方法还包括以下步骤:设置辐射吸收结构，所述辐射吸收结构定位在辅助光学结构的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，并且至少部分地从环状中间光学装置的平面环状光学表面延伸出来。
[0030]优选地，所述方法还包括以下步骤:设置辐射吸收结构，所述辐射吸收结构定位在辅助光学结构的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，并且使辅助光学装置在环状中间光学装置的环内基本上居中。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]相同的参考标号表示所有附图中的相同的元件。附图不一定是按比例绘制的。
[0032]图1是根据本发明的一个实施例的环状光学装置的等大视图；
[0033]图2是图1的环状光学装置的端视图；
[0034]图3是环状光学装置的侧视图；
[0035]图4是环状光学装置的沿着旋转轴线A的剖面视图AA ；
[0036]图5显示根据本发明的另一个实施例的环状光学装置；以及
[0037]图6是图5的环状光学装置的剖视图BB。
【具体实施方式】
[0038]图1-6和下述的描述示出特定的示例，用于教导本领域技术人员如何制造和使用本发明的最佳实施方式。为了教导本发明的原理的目的，一些传统的方面被简化或省略。本领域技术人员将理解这些示例中的变形落入到本发明的范围内。本领域技术人员将理解，下文所述的特征可以以各种方式组合以形成本发明的多个变形。因此，本发明不限于下文所述的特定示例，而是仅由权利要求书及其等效结构来限制。
[0039]图1是根据本发明的一个实施例的环状光学装置100的等大视图。环状光学装置100包括环状中间光学装置(meso-optic) I和辅助光学结构2，所述中间光学装置I和辅助光学结构2基本上围绕旋转轴线A且以所述旋转轴线作为中心设置。环状中间光学装置I包括环11，该环11穿过环状中间光学装置I且也基本上以旋转轴线A为中心设置(参见图4)。辅助光学结构2位于环11上，因此辅助光学结构2基本与环状中间结构I同轴。辅助光学结构2可以被定位在环11内，使得在一些实施例中辅助光学结构2至少部分地延伸通过环状中间光学装置I。在一些实施例中，辅助光学结构2可以定位成完全延伸通过环11和环状中间光学装置I。
[0040]环状光学装置100可以包括光学设备的部件。环状光学装置100可以包括采用被改变方向的光、反射光、折射光、重新定向光、或透射光(或其它可见或不可见电磁辐射)的任何装置的部件。
[0041]环状光学装置100可以包括使用光来检测、测量和/或表征流体中的杂质(诸如颗粒)的任何装置的部件。例如，环状光学装置100可以包括用于检测和/或量化水中的颗粒的装置的部件。然而，流体可以包括任何样式的气体或液体，可以包括气体、液体和/或固体的各种组合。环状光学装置100在一些实施例中可以包括浊度计或浑浊计的部件。
[0042]环状光学装置100可以接收沿着旋转轴线A被引导到辅助光学结构2中的光(或其它辐射)，其中环状光学装置100仅捕获基本上在辅助光学结构2内被径向改变方向的光。环状光学装置100使改变方向的光改变方向以基本上平行于旋转轴线A和基本上与入射辐射的方向相反地返回出射。因此，环状光学装置100使辐射作为平面波前改变方向。此处实施例中的环状中间光学装置I包括轴锥体。轴锥体是用于将作为平面波前传播的光学辐射会聚到线性焦点或相反地将光学辐射的径向发散的线性部分准直成平面波前的光学元件。具体地，环状轴锥体执行围绕旋转轴线的会聚或准直，其中轴锥体不占据沿着焦线的空间。环状轴锥体在焦线或径向发散线基本上垂直于平面波前的情况下尤其有效。
[0043]辅助光学结构2和环状中间光学装置I被介质12分离开。介质12具有低于辅助光学结构折射率的介质折射率。
[0044]在一些实施例中，辅助光学结构2包括容器，该容器包括开口端2a、壁2b以及封闭端2c。在一些实施例中，辅助光学结构2包括可透射辐射的封闭端2c，所述封闭端配置成基本上允许入射电磁辐射进入。在一些实施例中，辅助光学结构2包括在壁2b中且围绕和/或沿着环状中间光学装置I的焦线7的至少一个可透射辐射的区域，该至少一个可透射辐射的区域配置成基本上使入射的电磁辐射穿过。可替代地，整个辅助光学结构2可以基本上使辐射透射。辐射可以通过开口端2a行进到辅助光学结构2的外面。
[0045]辅助光学结构2可以保持待测试、测量或以其他方式量化的样本3。应当理解，样本3可以被静止地保持在辅助光学结构2内，或可以在辅助光学结构2内循环或通过辅助光学结构2循环。
[0046]辅助光学结构2配置成保持样本，以通过使改变方向的电磁辐射基本上沿着旋转轴线A入射到辅助光学结构2中而被辐射。例如，诸如光束5的辐射可以被引导到辅助光学结构2中。辐射可以主要穿过保持在辅助光学结构2中的样本3。然而，可以使至少一些辐射改变方向。辐射在透射通过辅助光学结构2时可以被样本改变方向(或被样本3内的感兴趣材料或成分改变方向)。辐射可以被以不同的角度被改变方向。
[0047]样本3可以包括气体、液体、或气体、液体和/或固体的混合物。样本3可以包括气体、液体或固体的期望被检测和/或量化的颗粒。样本3可以包括悬浮颗粒或各种混合物、悬浮液或不能混合材料。
[0048]将辅助光学结构2放置在环状轴锥体/中间光学装置I内产生了控制辐射进入到环状光学装置100中的传播的角度传播限制。超过全内反射(TIR)条件的辐射被允许穿过辅助光学结构2并传播到环状轴锥体中。这在图4中由光线5f示出。然而，仅由于TIR被反射的辐射传播到辅助光学结构2内，即仅允许辅助光学结构2内的辐射基于辐射到辅助光学结构2的光学表面的入射角出射。
[0049]辅助光学结构2由使得以相对较小角度入射在辅助光学结构2的壁上的辐射将被内反射、折射或以其它方式改变方向的材料形成。这由图4中的光线5c和5d示出。如果入射角小于预定的入射阈值，那么被改变方向的辐射将被辅助光学结构2内部地改变方向，且不能穿入到环状中间光学装置I中。
[0050]辅助光学结构2定位在环11中，使得环状中间光学装置I的焦线7定位在辅助光学结构2内，因此定位在容纳在辅助光学结构2中的样本3内。光束5 (或适合的电磁福射的其它束)可以沿着环状中间光学装置I的旋转轴线A基本上沿着焦线7被投射。测量体积由焦线7的弦长和光束5的横截面面积来限定。因此，在焦线7的区域中由样本3改变方向的辐射可能离开辅助光学结构2并进入环状中间光学装置I (参见光线5f)。在环状中间光学装置I中接收到的被改变方向的辐射基本上从环状中间光学装置I的焦线7径向发散，而与入射电磁辐射与旋转轴线A的角度间隔无关。然而，辅助光学结构2限制被改变方向的辐射，并且不允许所有被改变方向的辐射进入环状中间光学装置I。
[0051]如果被改变方向的辐射的入射角超过预定的入射阈值，那么允许在辅助光学结构2和环状中间光学装置I的环11内被改变方向的辐射借助于辅助光学结构2进入到环状中间光学装置I中。环状中间光学装置I改变被改变方向的辐射的方向以包括基本上平行于旋转轴线A和基本上与入射的电磁辐射方向相反的被改变方向的辐射。环状中间光学装置可以被优选地定位，以便改变被改变方向的辐射的方向基本上平行于旋转轴线A和基本上与入射的电磁福射同方向。
[0052]因此，以相对较高的角度(即基本上径向地)入射到辅助光学结构2的壁上的被改变方向的辐射将不会被内部地改变方向并将从辅助光学结构2出射。因此，被改变方向的辐射必须被基本上径向地且基本上垂直地改变方向，即，以从入射电磁辐射的方向的大角度被改变方向。另外，如果被改变方向的辐射在环状中间光学装置I的环11内，那么被改变方向的辐射将通过环状中间光学装置I被改变方向。在一些实施例中，被改变方向的射辐射必须在由焦线7表示的范围(span)内被改变方向。改变方向的辐射从环状中间光学装置I的平面环状光学表面Id出射。结果，改变方向的辐射将被基本上平行于旋转轴线A被引导。改变方向的辐射可以基本上与原始的进入辐射的方向相反。改变方向的辐射可以包括大致平面波前。
[0053]在环11或焦线7的外面的径向改变方向的辐射将不会进入到环状中间光学装置I中。在环11或焦线7的外面的径向改变方向的辐射将不通过环状中间光学装置I被改变方向。如果被改变方向的辐射的入射角小于预定的入射阈值，那么被改变方向的辐射将通过辅助光学结构2内部地改变方向，且不能穿入到环状中间光学装置中。
[0054]类似地，即使被改变方向的辐射的入射角超过预定的入射阈值，但是被改变方向的辐射通过在环状中间光学装置I前面的所述区域(诸如辐射阻挡结构4中的区域)中的样本被改变方向，那么仍然可以防止被改变方向的辐射离开辅助光学结构2。光线5g传播超过环形光学结构且穿过辅助光学结构2，并且不对感兴趣的可测量的光学信号做出贡献。光线5g不产生光学噪声，且光线5g被认为是损失掉了。
[0055]环状光学装置100可以进一步包括如图所示的定位在辅助光学结构2的至少一部分之上或并入到该部分中的辐射阻挡结构4，其中辐射阻挡结构4在被改变方向的辐射遇到环状中间光学装置I之前阻挡被改变方向的辐射，因此防止这样的被改变方向的辐射离开辅助光学结构2。辐射阻挡结构4可以由任何辐射吸收材料形成。辐射阻挡结构4可以由任何适合的辐射反射材料形成。辐射阻挡结构4可以由任何适合的不透射辐射的材料形成。
[0056]如图所示，辐射阻挡结构4可以被形成为以便装配在辅助光学结构2的至少一部分之上。在一些实施例中，辐射阻挡结构4可以至少部分地从环状中间光学装置I的平面环状光学表面Id延伸出。结果，被基本上径向地改变方向但是在环11之前的辐射被阻挡以防止离开辅助光学结构2。结果，因此所述被改变方向的辐射被阻挡以防止进入到环状中间光学装置I的平面环状光学表面Id中。包括辐射吸收介质的辐射阻挡结构4定位在环状中间光学装置I的焦点之外。
[0057]另外，辐射阻挡结构4可以提供定位功能。辐射阻挡结构4可以基本上使辅助光学结构2在环状中间光学装置I的环11内居中。辐射阻挡结构4可以在环状中间光学装置I和辅助光学结构2之间产生期望尺寸和均匀性的介质12。
[0058]图2是图1的环状光学装置100的端视图。从该视图可见，环状中间光学装置1、辅助光学结构2以及辐射阻挡结构4可以基本上是同轴的。在一些实施例中，辐射阻挡结构4使辅助光学结构2基本上同轴地定位在环状中间光学装置I的环11内。辐射阻挡结构4通过使辅助光学结构2在环状中间光学装置的环内居中而防止辅助光学结构2的外表面与环状中间光学装置I直接接触。
[0059]图3是环状光学装置100的侧视图。在该附图中，显示出光束5(或其它辐射)进入到辅助光学结构2的封闭端2c中。在本实施例中，辅助光学结构2从环状中间光学装置I的任一侧延伸，但是应当理解，环状光学装置100可以形成为其它配置并形成有其它尺寸。辐射阻挡结构4位于辅助光学结构2上且在环状中间光学装置I前面的一侧，即在光束5源和环状中间光学装置I之间。
[0060]图4是环状光学装置100的沿着旋转轴线A的剖视图AA。在该剖视图中显示出大致中空形状的辅助光学结构2。环状中间光学装置I和该环状中间光学装置I内的环11的实心形状在该剖视图中示出。在该剖视图中显示出该实施例的大致五边形横截面形状的环状中间光学装置I。
[0061]可以看到的是，介质12存在于环状中间光学装置I和辅助光学结构2之间，具体地在辅助光学结构2的壁2b的外面。介质12可以在一些实施例中包括空气介质。介质12在由空气构成时将具有小于辅助光学结构2的壁2b的折射率(即辅助光学结构折射率)的介质折射率。然而，应当理解，介质12可以由具有低于辅助光学结构2的壁2b的折射率的折射率的任何合适的材料构成。由于介质12的折射率较低，在辅助光学结构2的壁2b和介质12之间存在使得被改变方向的辐射被辅助光学结构2折射、反射或以其他方式内部地改变方向的边界。如果被散的射辐射具有小于预定入射阈值的入射角，那么被改变方向的辐射将被改变方向并保持在辅助光学结构2内。如果被改变方向的辐射以大于预定的入射阈值的入射角遇到所述边界，那么被改变方向的辐射将不会被改变方向且将通过壁2b从辅助光学结构2出射。这种高入射角的被改变方向的辐射将在关于辅助光学结构2和环状中间光学装置I的方向上基本上是径向的。
[0062]辅助光学结构2可以由一种或多种适合的材料形成。辅助光学结构2可以对于入射辐射是完全透射的，或可以包括在对其他辐射吸收结构内可使辐射透射或半透射的窗口或区域。辅助光学结构2可以包括围绕环状中间光学装置I的焦线7的至少一个可透射辐射区域。辅助光学结构2可以包括可透射辐射的封闭端2c，其配置成允许入射电磁辐射进入。可透射辐射区域可以是不同的材料，具有不同的折射率，或具有不同的光学不透明性。辅助光学结构2显示为包括大致圆柱形的容器。然而，辅助光学结构2可以根据期望由其它形状形成。
[0063]环状中间光学装置I和辅助光学结构2可以包括设备的通过量化入射辐射的方向改变来量化样本3中的颗粒的一部分。在一些实施例中，入射辐射包括可见光或不可见光。然而，还可以采用其它波长的电磁辐射。
[0064]环形光学结构100提供了将来自基本上平面波的辐射会聚到焦线上的用途。相反地，环形光学结构100能够将辐射的径向发散的线性部分准直到基本上平面波，同时有利地限制与所述光学结构的主要光线路径不相关的辐射量从角度光学布置100传播出去。
[0065]图示的实施例的环状中间光学装置I包括实心环状中间光学装置I。中间光学装置优选地为围绕旋转轴线A的旋转实体。横截面形状优选地位五边形，其形成平行于旋转轴线的圆柱形光学表面Ia和基本上垂直于旋转轴线的平面环状光学表面Id。平面环状光学表面Id的内环与圆柱形光学表面Ia重合。光学表面Ib和Ic关于旋转轴线A为大致圆锥形，且会聚至距离旋转轴线一径向距离处的圆形交点。圆锥形光学表面Ib和Ic优选地被涂覆以反射入射到内光学表面上的辐射。另外，圆锥形光学表面Ib与平面环状光学表面Id的外环重合，圆锥形光学表面Ic与圆柱形光学表面Ia的与平面环状光学表面Id相对的端部重合。非光学圆锥形表面Ie以沿旋转轴线的不小于圆柱形光学表面Ia的长度的弦长终止圆锥形光学表面Ib和Ic的会聚，以便于在不需要对环状光学结构进行虚光照(vignette)的情况下降低制造成本和中间光学元件的脆性。非光学圆锥形表面Ie优选地相对于旋转轴线以大约45°倾斜。圆锥形光学表面Ib和Ic相对于旋转轴线倾斜，以便使从焦线7基本上垂直地径向发散的辐射发射或改变方向以基本上平行于焦线7。相反地，环状中间光学装置I可以使基本上平行于焦线7行进的辐射改变方向以在圆柱形光学表面Ia的区域中基本上径向地射在焦线7上。
[0066]如所述的具有五边形横截面的环形旋转体的环状中间光学装置将电磁辐射的平面波会聚到焦线7以基本上垂直于平面波传播，或将从焦线7径向发散的被发射的光学辐射准直成基本上垂直于径向发射，而与环形五边形中间光学装置旋转轴线与焦线7对准的适度误差无关，与诸如例如几度对准度的适度误差无关。
[0067]应当注意到，环状中间光学装置I不需要是实体结构，也不需要是五边形横截面形状。事实上，由第一表面反射、折射或衍射表面构成的其他二次曲线表面可以用于构造焦线7基本上与中间光学装置的旋转轴线大致重合的环状中间光学装置。
[0068]除显示的部件和结构之外，任何样式的另外的透镜、部件和/或表面可以被包含以用于引导、准直、分散、聚集、聚焦、放大和/或缩小辐射。另外的部件可以定位在环状光学装置100的前面或后面。例如，环状光学装置100可以包括靠近辅助光学结构2的光源或辐射源，所述辐射源被配置成将辐射引导到辅助光学结构2中。另外，辐射检测器可以定位成靠近环状中间光学装置I的平面环状光学表面ld，用于接收和量化被环状中间光学装置I改变方向且从平面环状光学表面Id射出的辐射。
[0069]对于那些具有光学、物理学、或电磁理论的技术人员明显的是光学辐射的平面或球形传播波可以被吸收元件、折射元件、衍射元件和反射元件单独操控，或与环状光学装置协作来操控，用于准直、放大、减小、分散、聚集或聚焦所述辐射。
[0070]优选实施例的实体环状中间光学装置的基板材料可以是可透射感兴趣的辐射的任何材料。例如，在可见电磁光谱中，入射辐射可以包括在大约380纳米(nm)至780nm之间的电磁辐射，即由国际照明委员会(CIE)定义的可见光。基板材料可以是肖特玻璃N-BAK4、N-BK7、PMMA、或任何其他光学透射性材料。另外，在圆锥形光学表面Ib和Ic上的反射涂层可以是金、银、铝或在可见光谱中具有反射性的任何其他材料。另外，非光学圆锥形表面Ie可以涂覆有诸如黑漆的光吸收材料。光学表面Ia和Id可以不被涂覆或可以被涂覆，以减小感兴趣波长处的反射损耗。对于可见波长范围内的应用，抗反射涂层(一个或多个)可以是被施加至可透射光学表面Ia和Id的大约四分之一波长厚度的氟化镁(MgF2)。
[0071]在一种示例中，假设波长为0.5875618微米(μ m)(即夫琅合费(Fraunhofer) ‘d’氦发射波长)的光束5在折射率为1.0000的周围介质(例如空气)中沿着焦线7在使得光束进入折射率为1.5168的玻璃瓶的平面表面、进入折射率为1.3330的样本中、以及进入到也在周围介质中的所述瓶的外表面2b中。依据斯涅耳折射定律，如果当从圆柱形表面的旋转轴线的法线或垂直于该旋转轴线测量(例如沿着光线5c和5d)时至所述瓶的内壁2a的入射角大于或等于大约48.6度，那么由于散射或其它光学现象光束5的任何改变方向导致 TIR0
[0072]图5显示根据本发明的另一个实施例的环状光学装置100。在该实施例中，环状中间光学装置9包括大致三角形的旋转截面，具体地显示出直角三角形旋转体。本实施例的三角形环状中间光学装置9有利地必须制造一个较不光学的表面，以较短的光线路径为特征，并且需要较少的材料。辅助光学结构2沿着环状中间光学装置9的环的旋转轴线。辅助光学结构2和样本3与三角形环状中间光学装置9同轴。关于福射束5和光线5a、5b、5c、5d、5e、5f和5g的传播的论述同样适用于本实施例。
[0073]图6是图5的环状光学装置100的截面视图BB。在图中，三角形环状中间光学装置9的圆锥形光学表面9b相对于旋转轴线A倾斜，以便反射基本上垂直地从焦线7径向地发散的任何辐射。圆锥形光学表面％将辐射的方向改变成沿着大致平行于焦线7的方向。圆柱形光学表面9a和平面环状光学表面9c的内环在圆柱形光学表面9a的一端处重合。圆锥形光学表面％与平面环状光学表面9c的外环重合，在圆柱形光学表面9a的与平面环状光学表面9c相对的一端处与圆柱形光学表面9a重合。如在其他实施例中，圆锥形光学表面％可以被涂覆，以反射入射辐射。光学表面9a和9c可以未被任意地涂覆以降低成本，或被涂覆以降低在感兴趣波长处的反射损耗。
[0074]所公开的环状光学装置不限于此处呈现的示例。可以使用包括一个或多个圆锥形光学表面的环状中间光学装置。可以使用具有内反射表面(一个或多个)或外反射表面(一个或多个)的环状中间光学装置。进一步理解到，可以使用多个径向分段的平面表面，由近似的圆锥形光学表面来形成环状光学装置。另外，旋转表面的截面曲率(一个或多个)的变化还可以通过将所公开的光学表面中的一个或多个修改成为大致球形、椭圆形、抛物线形或双曲线形的光学表面来实现。
[0075]可以发现环状光学装置100用于例如荧光计、流式细胞仪、照射器、激光光学装置、电磁集中器、流量量测仪、悬液计测量术以及颗粒分析领域中。然而，该列表不是穷尽的。应当理解，其它用途被设想且落入到所述说明书和权利要求书的范围内。
[0076]上文实施例的详细描述不是发明人所设想的所有实施例的在本发明的范围内的穷尽性描述。事实上，本领域技术人员将认识到上述实施例的特定元件可以以各种方式组合或被消除以形成另外的实施例，这样的另外的实施例落入到本发明的范围和教导内。本领域普通技术人员还将明白，上述实施例可以被整体上或部分地组合，以形成在本发明的范围和教导内的额外的实施例。因此，应当依据下述的权利要求书来确定本发明的范围。
【权利要求】
1.一种环状光学装置(100)，包括: 环状中间光学装置(I)，所述环状中间光学装置包括以旋转轴线㈧为中心的环(11)；和 辅助光学结构(2)，所述辅助光学结构基本上同轴地位于环状中间光学装置(I)的环(11)内，其中辅助光学结构(2)和环状中间光学装置(I)被具有低于辅助光学结构的折射率的介质折射率的介质(12)分隔开，辅助光学结构(2)配置成保持样本以被基本上沿着旋转轴线(A)引导到辅助光学结构(2)中的入射电磁辐射照射，其中来自辅助光学结构(2)且在环状中间光学装置(I)的环(11)内的被改变方向的辐射在所述被改变方向的辐射的入射角超过预定入射阈值的情况下被允许通过辅助光学结构(2)进入到环状中间光学装置(I)中，以及其中环状中间光学装置(I)使被改变方向的辐射改变方向以包括基本上平行于旋转轴线(A)的被改变方向的辐射， 其中，环状中间光学装置(I)中所接收到的被改变方向的辐射基本上从环状中间光学装置(I)的焦线(7)径向发散，而与入射电磁辐射与旋转轴线(A)的角度间隔无关。
2.根据权利要求1所述的环状光学装置(100)，其中，所述被改变方向的辐射被环状中间光学装置(I)接收并基本上沿着旋转轴线(A)被改变方向，其中被改变方向的辐射从环状中间光学装置(I)的平面环状光学表面(Id)出射。
3.根据权利要求1所述的环状光学装置(100)，其中，在入射角小于预定入射阈值的情况下，被改变方向的辐射被辅助光学结构(2)内部地改变方向，且不能穿入到环状中间光学装置(I)中。
4.根据权利要求1所述的环状光学装置(100)，其中，辅助光学结构(2)包括能透射辐射的封闭端(2c)，所述封闭端配置成允许所述入射电磁辐射进入。
5.根据权利要求1所述的环状光学装置(100)，其中，辅助光学结构(2)包括围绕环状中间光学装置(I)的焦线(7)的至少一个能透射辐射的区域。
6.根据权利要求1所述的环状光学装置(100)，还包括辐射阻挡结构(4)，所述辐射阻挡结构定位在辅助光学结构(2)的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，其中所述辐射阻挡结构(4)防止辐射离开辅助光学结构(2)。
7.根据权利要求1所述的环状光学装置(100)，还包括辐射阻挡结构(4)，所述辐射阻挡结构定位在辅助光学结构(2)的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，并且至少部分地从环状中间光学装置(I)的平面环状光学表面(Id)延伸出来。
8.根据权利要求1所述的环状光学装置(100)，还包括辐射阻挡结构(4)，所述辐射阻挡结构定位在辅助光学结构(2)的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，并且使辅助光学装置⑵在环状中间光学装置⑴的环(11)内基本上居中。
9.一种形成环状光学装置的方法，所述方法包括以下步骤: 设置环状中间光学装置，所述环状中间光学装置包括以旋转轴线为中心的环；和 设置辅助光学结构，所述辅助光学结构基本上同轴地位于所述环状中间光学装置的环内，其中所述辅助光学结构和所述环状中间光学装置被具有低于辅助光学结构的折射率的介质折射率的介质分隔开，辅助光学结构配置成保持样本以被基本上沿着旋转轴线引导到辅助光学结构中的入射电磁辐射照射，其中来自辅助光学结构且在环状中间光学装置的环内的被改变方向的辐射在所述被改变方向的辐射的入射角超过预定入射阈值的情况下被允许通过辅助光学结构进入到环状中间光学装置中，以及其中环状中间光学装置使被改变方向的辐射改变方向以包括基本上平行于旋转轴线的被改变方向的辐射， 其中环状中间光学装置中所接收到的被改变方向的辐射基本上从环状中间光学装置的焦线径向发散，而与入射电磁辐射与旋转轴线的角度间隔无关。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述被改变方向的辐射被环状中间光学装置接收并基本上沿着旋转轴线被改变方向，其中被改变方向的辐射从环状中间光学装置的平面环状光学表面出射。
11.根据权利要求9所述的方法，在入射角小于预定入射阈值的情况下，被改变方向的辐射被辅助光学结构内部地改变方向，且不能穿入到环状中间光学装置中。
12.根据权利要求9所述的方法，辅助光学结构包括能透射辐射的封闭端(2c)，所述封闭端配置成允许所述入射电磁辐射进入。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，辅助光学结构包括围绕环状中间光学装置的焦线的至少一个能透射辐射的区域。
14.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤: 设置辐射吸收结构，所述辐射吸收结构定位在辅助光学结构的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，其中所述辐射阻挡结构防止辐射离开辅助光学结构。
15.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤: 设置辐射吸收结构，所述辐射吸收结构定位在辅助光学结构的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，并且至少部分地从环状中间光学装置的平面环状光学表面延伸出来。
16.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤: 设置辐射吸收结构，所述辐射吸收结构定位在辅助光学结构的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，并且使辅助光学装置(2)在环状中间光学装置(I)的环(11)内基本上居中。
17.一种环状光学装置(100)，包括: 环状中间光学装置(I)，所述环状中间光学装置包括以旋转轴线㈧为中心的环(11)；和 辅助光学结构(2)，所述辅助光学结构基本上同轴地位于环状中间光学装置(I)的环(11)内，其中辅助光学结构(2)和环状中间光学装置(I)被具有低于辅助光学结构的折射率的介质折射率的介质(12)分隔开，辅助光学结构(2)配置成保持样本以被基本上沿着旋转轴线(A)引导到辅助光学结构(2)中的入射电磁辐射照射，其中在被改变方向的辐射超过全内反射角的情况下，来自样本的被改变方向的辐射被允许通过辅助光学结构(2)进入到环状中间光学装置(I)中， 环状中间光学装置(I)中所接收到的被改变方向的辐射基本上从环状中间光学装置(I)的焦线(7)径向发散，而与入射电磁辐射与旋转轴线㈧的角度间隔无关。
18.根据权利要求17所述的环状光学装置(100)，其中，在被改变方向的辐射被允许进入到环状中间光学装置⑴中之后，所述环状中间光学装置⑴反射所述辐射，使得所述辐射基本上平行于旋转轴线(A)。
19.根据权利要求17所述的环状光学装置(100)，其中，被改变方向的辐射选择由散射光、突光、福射的反射光和折射光构成的组。
20.根据权利要求17所述的环状光学装置(100)，其中，被改变方向的辐射被环状中间光学装置(I)接收并基本上沿着旋转轴线(A)被反射，其中被反射的辐射从环状中间光学装置(I)的平面环状光学表面(Id)出射。
21.根据权利要求17所述的环状光学装置(100)，其中，在入射角小于全内反射角的情况下，被改变方向的辐射被辅助光学结构(2)内部地反射，且不能穿入到环状中间光学装置⑴中。
22.根据权利要求17所述的环状光学装置(100)，其中，辅助光学结构(2)包括能透射辐射的封闭端(2c)，所述封闭端配置成允许所述入射电磁辐射进入。
23.根据权利要求17所述的环状光学装置(100)，其中，辅助光学结构(2)包括围绕环状中间光学装置(I)的焦线(7)的至少一个能透射辐射的区域。
24.根据权利要求17所述的环状光学装置(100)，还包括辐射阻挡结构(4)，所述辐射阻挡结构定位在辅助光学结构(2)的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，其中所述辐射阻挡结构(4)防止辐射离开辅助光学结构(2)。
25.根据权利要求17所述的环状光学装置(100)，还包括辐射阻挡结构(4)，所述辐射阻挡结构定位在辅助光学结构(2)的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，并且至少部分地从环状中间光学装置(I)的平面环状光学表面(Id)延伸出来。
26.根据权利要求17所述的环状光学装置(100)，还包括辐射阻挡结构(4)，所述辐射阻挡结构定位在辅助光学结构(2)的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，并且使辅助光学装置⑵在环状中间光学装置⑴的环(11)内基本上居中。
27.一种形成环状光学装置的方法，所述方法包括以下步骤: 设置环状中间光学装置，所述环状中间光学装置包括以旋转轴线为中心的环；和 设置辅助光学结构，所述辅助光学结构基本上同轴地位于所述环状中间光学装置的环内，其中所述辅助光学结构和所述环状中间光学装置被具有低于辅助光学结构的折射率的介质折射率的介质分隔开，辅助光学结构配置成保持样本以被基本上沿着旋转轴线引导到辅助光学结构中的入射电磁辐射照射，其中在所述被改变方向的辐射的入射角超过全内反射角的情况下，来自样本的被改变方向的辐射被允许通过辅助光学结构进入到环状中间光学装置中， 其中环状中间光学装置中所接收到的被改变方向的辐射基本上从环状中间光学装置的焦线径向发散，而与入射电磁辐射与旋转轴线的角度间隔无关。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，在被改变方向的辐射被允许进入到环状中间光学装置(I)中之后，所述环状中间光学装置(I)反射所述辐射，使得所述辐射基本上平行于旋转轴线(A)。
29.根据权利要求27所述的环状光学装置(100)，其中，被改变方向的辐射选择由散射光、突光、福射的反射光和折射光构成的组。
30.根据权利要求27所述的方法，其中，所述被改变方向的辐射被环状中间光学装置接收并基本上沿着旋转轴线被反射，其中被改变方向的辐射从环状中间光学装置的平面环状光学表面出射。
31.根据权利要求27所述的方法，在入射角小于全内反射角的情况下，被改变方向的辐射被辅助光学结构内部地反射，且不能穿入到环状中间光学装置中。
32.根据权利要求27所述的方法，辅助光学结构包括能透射辐射的封闭端(2c)，所述封闭端配置成允许所述入射电磁辐射进入。
33.根据权利要求27所述的方法，其中，辅助光学结构包括围绕环状中间光学装置的焦线的至少一个能透射辐射的区域。
34.根据权利要求27所述的方法，还包括以下步骤: 设置辐射吸收结构，所述辐射吸收结构定位在辅助光学结构的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，其中所述辐射阻挡结构防止辐射离开辅助光学结构。
35.根据权利要求27所述的方法，还包括以下步骤: 设置辐射吸收结构，所述辐射吸收结构定位在辅助光学结构的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，并且至少部分地从环状中间光学装置的平面环状光学表面延伸出来。
36.根据权利要求27所述的方法，还包括以下步骤: 设置辐射吸收结构，所述辐射吸收结构定位在辅助光学结构的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，并且使辅助光学装置(2)在环状中间光学装置(I)的环(11)内基本上居中。
【文档编号】G01N21/47GK104165866SQ201410336300
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2011年8月1日 优先权日:2010年8月6日
【发明者】佩里·A·帕伦博 申请人:哈希公司