中间镜片装置的制作方法
专利名称：中间镜片装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学装置领域，并且特别地，涉及中间镜片(meso-optic)光学装置。
背景技术：
镜片(optic)或光学元件的有用特征在于镜片的集中或聚焦电磁辐射的能力，或相反地，引导来自区域的辐射沿着预定射线路径或轴线(即光轴)发射的能力。特别有用的是将辐射聚焦成与光轴重合的线的形式。具有如图1所示的折射圆锥形表面的轴锥体提供将能量聚焦在与光轴大致重合的焦线(line-of-focus)上的手段。然而，具有折射圆锥表面的轴锥体不能大致垂直于光轴聚焦辐射。如图2所示，现有技术的具有单个反射圆锥形光学表面的反射式45度环形锥轴体1大致垂直于聚焦轴(focal axis)聚焦辐射5，聚焦轴与旋转轴线分开入射角β ；S卩，聚焦轴到旋转轴线的角距(angular separation)与入射角有关，并且形成圆锥形聚焦体积，其顶点与圆锥形光学表面的外观顶点重合。因此，辐射不垂直于光轴3发射或不指向旋转轴线2。仅在旋转轴线和光轴重合的特殊条件下，辐射垂直于光轴发射。如图3所示，现有技术的具有一个以上反射圆锥形光学表面的反射轴锥体(为一种W-轴锥体形式)可以作为束扩展器/束缩减器或束成形器，将来自圆形横截面的辐射的传播束改变成具有环形横截面的束或反之亦然，或者可以更像简单的将辐射聚焦到沿着光轴线的折射轴锥体一样起作用。现有技术的具有两个或两个以上圆锥形表面的反射轴锥体包括沿着光轴聚焦辐射的能力。然而，这种现有技术不能大致垂直于光轴聚焦辐射和不能够引导从光轴径向发散地发出的辐射，使得这种光学配置不适合其中要求从焦线大致径向发散的应用。如图4所示，现有技术的具有两个45度圆锥形光学表面的W-轴锥体作为回射器在束从两个圆锥形光学表面反射以后使被反射的束沿着光轴朝向辐射源返回，但不形成焦线。图4的W-轴锥体用作束扩展器/束缩减器或束成形器，使被反射的束沿着光轴朝向辐射来源返回，但是通过首先照射一个圆锥形光学表面和接下来照射另一个圆锥形光学表面来实现，将入射光束的形状从圆形横截面改变成环形横截面，或反之亦然。图5是现有技术的平凸透镜的截面视图，显示用于描述如应用于圆锥形表面的曲率半径和旋转表面的弓形高(sagitta)之间的关系的惯例。中间镜片的理想属性是下述能力，即准直从焦线或圆柱形表面径向地发散的辐射，以及将大致垂直地撞击在圆柱形表面上的辐射重新定向到大致平行圆柱形表面(即圆筒形聚焦面或焦曲面(focal surface))的轴线的方向。圆柱形聚焦面用于激光材料(尤其是那些圆柱或者杆形的那些激光材料)、太阳能聚光器的激励，和用于与能量的激励束成直角地检测和测量电磁发射；如在其中以与激励辐射大致成直角地进行荧光或浊度测量的情况一样。为了检测低水平的电磁事件或活动，如作为来自悬浮液中的小浓度颗粒或者来自产生荧光的能量发射的散射(scatter)的结果的光子在光电二极管上的撞击，通过光伏效应产生的电信号必须大于作为探测器材料的量子现象的结果所产生的噪声信号。相对于噪声信号，检测极限是关于噪声信号的可辨别事件信号，往往被认为是平均噪声信号的标准偏差的两倍的事件信号。由于探测器的固有噪声信号不能被完全地消除，并且可用于检测的电磁辐射量通常有限，有利的是将尽可能多的电磁事件聚集和集中在检测装置上以最大化信噪比。通常情况下，辐射发射到圆柱形发射表面或圆柱形体积的轴线成放射状。传统镜片(如将光线聚焦到线、矩形或半圆柱场的圆柱形透镜的镜片)被限制在围绕圆柱形表面的长轴的对向角(subtended angle)中，其在该对向角范围可以没有过多光学像差地操作。换句话说，圆柱形透镜仅可以成像圆柱形表面面对透镜的部分。为了实现圆柱形焦平面的三百六十度覆盖，需要多个圆柱形镜片。此外，如果从圆柱形表面发射的能量将被沿着圆柱形表面的轴线定向，则需要镜子形式的额外的光学元件。沿着单个光轴定向从圆柱形表面发出的能量是有利的，并且作为结果，可以使用诸如镜子、棱镜、透镜之类的传统镜片。如图2所示，仅在在圆柱的轴线缸和旋转轴线重合的特殊情况下，现有技术的反射轴锥体才能够将从圆柱形表面径向地发散地发射的辐射重新定向到大致平行于圆筒形表面的轴线的方向。利用单个圆锥形表面的现有技术的轴锥体关于形成靠近光轴的焦线的能力在入射光线不平行于光轴时受到限制。事实上，试图聚焦大致垂直于光轴的辐射的现有技术的轴锥体将经受过多的离轴像差；即，不与光轴重合地形成的焦线基本上被扭曲和失焦。
发明内容
在本发明的一个方面，一种中间镜片装置包括大致环状中间镜片主体，包括旋转轴线；与旋转轴线大致同轴的发散圆锥形光学表面，发散圆锥形光学表面被配置为接收沿着光轴从撞击方向传播的电磁辐射，其中光轴与旋转轴线重合或与旋转轴线相交，并且发散圆锥形光学表面被配置为发散地重新定向电磁辐射远离旋转轴线；和与旋转轴线大致同轴的会聚圆锥形光学表面，会聚圆锥形光学表面被配置为接收由发散圆锥形光学表面发散地重新定向的电磁辐射，并且会聚圆锥形光学表面被配置为朝向旋转轴线会聚地重新定向电磁辐射。优选地，所述大致环状中间镜片主体包括大致五角形横截面形状。优选地，发散圆锥形光学表面和会聚圆锥形光学表面被配置为大致反射、折射或衍射电磁辐射。优选地，会聚圆锥形光学表面重新定向的电磁辐射大致会聚在旋转轴线上。优选地，无论光轴和旋转轴线之间存在角距或重合，由会聚圆锥形光学表面重新定向的电磁辐射都大致垂直于进入中间镜片主体的电磁辐射。优选地，发散圆锥形光学表面位于偏离旋转轴线的第一角(α )处，其中会聚圆锥形光学表面位于偏离旋转轴线的第二角(α 2)处，并且其中第一角(α 1)和第二角(α 2)不同。优选地，发散圆锥形光学表面位于偏离旋转轴线的第一角(α )处，其中会聚圆锥形光学表面位于偏离旋转轴线的第二角(α 2)处，其中第一角(α )大于第二角(α 2)。优选地，所述中间镜片主体还包括环形平面光学表面，位于中间镜片主体的撞击方向侧上，环形平面光学表面被配置为大致通过电磁辐射；圆筒形光学表面，围绕旋转轴线定位并且被配置为在电磁辐射离开会聚圆锥形光学表面以后大致通过电磁辐射；和非光学圆锥形表面，在发散圆锥形光学表面和会聚圆锥形光学表面之间延伸，发散圆锥形光学表面、会聚圆锥形光学表面、环形平面光学表面、圆筒形光学表面和非光学圆锥形表面提供中间镜片主体的大致五角形横截面形状；所述环形平面光学表面大致径向地定向到旋转轴线，并且环形平面光学表面的外半径与会聚圆锥形光学表面的内半径相同；环形平面光学表面的内半径与圆筒形光学表面的一端相同，并且所述圆筒形光学表面的另一端与发散圆锥形光学表面的内半径相同；并且其中，离开会聚圆锥形光学表面的电磁辐射大致穿过圆筒形光学表面。在本发明的一个方面，一种中间镜片装置，包括大致环状中间镜片主体，包括旋转轴线；与旋转轴线大致同轴的发散圆锥形光学表面，发散圆锥形光学表面被配置为接收沿着光轴从撞击方向传播的电磁辐射，其中光轴与旋转轴线重合或与旋转轴线相交，并且发散圆锥形光学表面被配置为发散地重新定向电磁辐射远离旋转轴线；和与旋转轴线大致同轴的会聚圆锥形光学表面，会聚圆锥形光学表面被配置为接收由发散圆锥形光学表面发散地重新定向的电磁辐射，并且会聚圆锥形光学表面被配置为朝向旋转轴线会聚地重新定向电磁辐射；其中发散圆锥形光学表面位于偏离旋转轴线的第一角(α )处，其中会聚圆锥形光学表面位于偏离旋转轴线O)的第二角(α 2)处，并且其中第一角(α )大于第二角(α 2)。优选地，大致环状中间镜片主体包括大致五角形横截面形状。优选地，发散圆锥形光学表面和会聚圆锥形光学表面被配置为大致反射、折射或衍射电磁辐射。优选地，由会聚圆锥形光学表面重新定向的电磁辐射大致会聚在旋转轴线上。优选地，无论光轴和旋转轴线之间存在角距或重合，由会聚圆锥形光学表面重新定向的电磁辐射都大致垂直于进入中间镜片主体的电磁辐射。优选地，所述中间镜片主体还包括环形平面光学表面，位于中间镜片主体的撞击方向侧，环形平面光学表面被配置为大致通过电磁辐射；圆筒形光学表面，围绕旋转轴线定位并且被配置为在电磁辐射离开会聚圆锥形光学表面以后大致通过电磁辐射；和非光学圆锥形表面，在发散圆锥形光学表面和会聚圆锥形光学表面之间延伸，发散圆锥形光学表面、会聚圆锥形光学表面、环形平面光学表面、圆筒形光学表面和非光学圆锥形表面提供中间镜片主体的大致五角形横截面形状；所述环形平面光学表面大致径向地定向到旋转轴线，并且环形平面光学表面的外半径与会聚圆锥形光学表面的内半径相同；环形平面光学表面的内半径与圆筒形光学表面的一端相同，并且所述圆筒形光学表面的另一端与发散圆锥形光学表面的内半径相同；并且其中，离开会聚圆锥形光学表面的电磁辐射大致穿过圆筒形光学表面。在本发明的一个方面中，一种中间镜片装置，包括大致环状五角形中间镜片主体，包括旋转轴线；与旋转轴线大致同轴的发散圆锥形光学表面，发散圆锥形光学表面被配置为接收沿着光轴从撞击方向传播的电磁辐射，其中光轴与旋转轴线重合或与旋转轴线相交，并且发散圆锥形光学表面被配置为发散地重新定向电磁辐射远离旋转轴线；和
与旋转轴线大致同轴的会聚圆锥形光学表面，会聚圆锥形光学表面被配置为接收由发散圆锥形光学表面发散地重新定向的电磁辐射，并且会聚圆锥形光学表面被配置为朝向旋转轴线会聚地重新定向电磁辐射；环形平面光学表面，位于中间镜片主体的撞击方向侧，环形平面光学表面被配置为大致通过电磁辐射；圆筒形光学表面，围绕旋转轴线定位并且被配置为在电磁辐射离开会聚圆锥形光学表面以后大致通过电磁辐射；和非光学圆锥形表面，在发散圆锥形光学表面和会聚圆锥形光学表面之间延伸，发散圆锥形光学表面、会聚圆锥形光学表面、环形平面光学表面、圆筒形光学表面和非光学圆锥形表面提供中间镜片主体的大致五角形横截面形状；所述环形平面光学表面大致径向地定向到旋转轴线，并且环形平面光学表面的外半径与会聚圆锥形光学表面的内半径相同；环形平面光学表面的内半径与圆筒形光学表面的一端相同，并且所述圆筒形光学表面的另一端与发散圆锥形光学表面的内半径相同；并且其中，离开会聚圆锥形光学表面的电磁辐射大致穿过圆筒形光学表面。优选地，发散圆锥形光学表面和会聚圆锥形光学表面被配置为大致反射、折射或衍射电磁辐射。优选地，由会聚圆锥形光学表面重新定向的电磁辐射大致会聚在旋转轴线上。优选地，无论光轴和旋转轴线之间存在角距或重合，由会聚圆锥形光学表面重新定向的电磁辐射大致垂直于进入中间镜片主体的电磁辐射。优选地，发散圆锥形光学表面位于偏离旋转轴线的第一角(α )处，其中会聚圆锥形光学表面位于偏离旋转轴线的第二角(α 2)处，其中第一角(α )和第二角(α 2)不同。优选地，发散圆锥形光学表面位于偏离旋转轴线的第一角(α )处，其中会聚圆锥形光学表面位于偏离旋转轴线的第二角(α2)处，并且其中第一角(α )大于第二角(α 2)。
相同的附图标记在所有附图上代表相同元件。图1是由单个圆锥形光学表面构成的现有技术的折射轴锥体的剖面图。图2是由单个反射圆锥形光学表面构成的现有技术的45度环形轴锥体的等比例视图，显示对于旋转轴线与光轴不重合的情况，射线重合不垂直于光轴。图3是由两个圆锥形光学表面构成的现有技术的反射轴锥体的剖面视图，显示不垂直于光轴的射线重合。图4是由两个45度圆锥形光学表面构成的W-轴锥体的等比例视图，该W-轴锥体被配置为不考虑入射角度返回沿着光轴传播的束。图5是现有技术的平-凸透镜的剖视图，显示用来描述如应用于圆锥形表面的曲率半径和旋转表面的弓形高之间的关系的惯例。图6a_6b显示根据本发明的中间镜片装置。
图7是图8a_8b的中间镜片装置的等比例视图。图8a_8b显示第一表面反射中间镜片装置，其中发散圆锥形光学表面和会聚圆锥形光学表面包括第一表面反射表面，第一表面反射表面重新定向撞击辐射，而没有辐射进入中间镜片主体。图9是图8a_8b的中间镜片装置的等比例视图。
具体实施例方式附图和下面的说明描述具体示例，以教导本领域技术人员如何进行和使用本发明的最佳模式。为教导本发明的原理的目的，一些传统方面已经被简化或省略。本领域技术人员将理解来自这些示例的变化落入本发明的范围内。本领域技术人员理解，下面描述的特征可以以各种方式相结合，以形成本发明的多种变化。结果，本该发明不受限于下文所述的具体示例，只受限于权利要求及其等同物。图6a_6b显示根据本发明的中间镜片装置1。中间镜片装置1包括由至少部分光透射或透光(light-transmissive)材料形成的大致环形中间镜片主体100。在显示的实施例1中的中间镜片装置包括环形平面光学表面101、圆筒形光学表面103和非光学圆锥形表面108。环形平面光学表面101、圆筒形光学表面103和非光学圆锥形表面108都至少部分地透光，并且允许光线进入和/或退出中间镜片装置1。中间镜片装置1可以是大致环形的。中间镜片装置1可以是大致环形的，包括大致五角形横截面形状。光一般通过环形平面光学表面101进入中间镜片装置1。然而，应被理解，光可以在相反方向上逆向传播，并且可以通过环形平面光学表面101退出。附图中的中间镜片主体100的左侧因而被称为撞击方向，环形平面光学表面101定位在中间镜片主体100的撞击方向侧。进入或退出环形平面光学表面101的光线因此存在于中间镜片主体100的撞击方向侧。如在附图中显示，光(诸如图示地描绘在图6a和6b中的光线5)可以沿着光轴3传播。光(和光轴幻可以与中间镜片装置1的旋转轴线2平行。可替换地，光可以与旋转轴线2重合，以及可以与旋转轴线2相交，如图所示，使光轴3与旋转轴线2相差偏斜角β。中间镜片器件1可用于可见光波长。中间镜片装置1可用于非可见光波长。在此在光方面讨论中间镜片装置1，但应该被理解，中间镜片装置1可用于任何方式的电磁辐射。中间镜片装置1进一步包括发散(divergent)圆锥形光学表面112和会聚(convergent)圆锥形光学表面114。发散圆锥形光学表面112和会聚圆锥形光学表面114可以大致反射、折射、衍射或以其他方式阻碍或重新定向光。发散圆锥形光学表面112和会聚圆锥形光学表面114两者被配置为防止光线(或其他辐射)退出和/或进入中间光装置1。发散圆锥形光学表面112和会聚圆锥形光学表面114可以包括中间镜片主体100的一部分，或可以包括固定或添加到中间镜片主体100的材料和/或结构或形成在其中。例如，发散圆锥形光学表面112和会聚圆锥形光学表面114可以包括膜、沉积层、蚀刻结构或类似材料或结构。为了显示与中间镜片装置1的其他表面的差异，附图在发散圆锥形光学表面112和会聚圆锥形光学表面114上包括重的黑色阴影。在一些实施例中，发散圆锥形光学表面112和会聚圆锥形光学表面114被配置为在内部重新定向光，如图6b所示。因此，中间镜片装置1被构造为接收撞击光以及以预定的方式与撞击光相互作用和重新定向撞击光。图7是图6a_6b的中间镜片装置1的等比例视图。这个附图对应于图6a_6b的横截面视图并且显示容积型(即，实心容积)环形中间镜片装置1。容积型的中间光器件的1被配置为接收撞击辐射，其中撞击辐射进入中间镜片机构100并且大致在内部被重新定向。实心容积(solid volume)型中间镜片装置1的优点是内部反射表面耐恶劣环境，在该恶劣环境中反射表面的暴露否则可能会由于腐蚀或磨损而损坏反光材料或涂料。此外，图6-7的中间镜片装置1的实心容积型结构容易制作；由于可从外面接近光学表面，使得检查和光学镀膜更简单地应用。中间镜片主体100可以由任何合适材料或多种材料形成。一般来说，中间镜片主体100将大致通过光(或其他电磁辐射)。然而，发散圆锥形光学表面112和会聚圆锥形光学表面114被配置为大致重新定向撞击在这两个表面或表面部件上的光。电磁辐射以感兴趣的波长传播通过中间镜片主体100或大致在中间镜片主体100的边界处被重新定向。电磁辐射可以被全部或部分地重新定向。重新定向可以包括辐射的强度和/或光谱含量的一些或者全部。重新定向可以是中间镜片主体100的光学表面和/或结构材料的特征反射和/或吸收的结果。重新定向可以通过反射、折射、衍射或其任何组合实现。在一些实施例中，如通过光线5显示，光平行于光轴3传播。光轴3可以平行于中间镜片装置1的旋转轴线2，或从中间镜片装置1的旋转轴线2偏离。光线通过环形平面101进入中间镜片主体和100并且通过中间镜片主体100传播直到光线到达发散圆锥形光学表面112。如图所示，发散圆锥形光学表面112接收光线5并且大致朝向会聚圆锥形光学表面114重新定向光线5。同样地，会聚圆锥形光学表面114接收到光线5并且大致朝向圆筒形光学表面103重新定向光线5。光线5随后退出中间镜片主体100并且集中在沿着焦线的点处。焦线可以平行于光轴3和/或与光轴3重合。如图所示，沿着焦线，光线5可以大致垂直于光轴3。在一些实施例中，环形平面光学表面101可以大致允许光线5进入中间镜片主体100。替换地，在其他实施例中，可以稍微折射、衍射或影响传递穿过其中的辐射。在一些实施例中，环形平面光学表面101可以根据辐射的传播方向大致允许光线5退出中间镜片主体 100。在一些实施例中，圆筒形光学表面103可以大致允许光线5退出中间镜片主体100。替换地，在其他实施例中，圆筒形光学表面103可以稍微折射、衍射或影响传递穿过其中的辐射。在一些实施例中，圆筒形光学表面103可以根据辐射的传播方向大致允许光线5退出中间镜片主体100。在一些实施例中，发散圆锥形光学表面112和会聚圆锥形光学表面114大致同轴。发散圆锥形光学表面112和会聚圆锥形光学表面114在一些实施例中大致同心。发散圆锥形光学表面112和会聚圆锥形光学表面114在一些实施例中为大致圆锥形形状。发散圆锥形光学表面112和会聚圆锥形光学表面114在一些实施例中为大致弯曲圆锥形形状。
发散圆锥形光学表面112和会聚圆锥形光学表面114可以形成在偏离旋转轴线2的相同或不同的角度处。在一些实施例中，发散圆锥形光学表面112形成在距离旋转轴线2的第一角度(α )处，和会聚圆锥形光学表面114形成在距离旋转轴线2的第二角度(α 2)处。在一些实施例中，发散圆锥形光学表面112形成在距离旋转轴线2的第一角度(α )处，和会聚圆锥形光学表面114形成在距离旋转轴线2的第二角度(α2)，其中第一角度(α )与第二角度(α》不同。在一些实施例中，发散圆锥形光学表面112形成在距离旋转轴线2的第一角度(α )处，和会聚圆锥形光学表面114形成在距离旋转轴线2的第二角度(α》，其中第一角度(α )大于第二角度(α2)中间镜片装置1可以包括包含至少两个重新定向光学表面的装置。中间镜片装置1可以包括包含至少两个内部地重新定向光学表面的装置。可替换地，中间镜片装置1可以包括包含至少两个外部地重新定向光学表面的装置。中间镜片装置1可以包括包含位于至共同旋转轴线的不同的角度处的至少两个重新定向光学表面的装置。中间镜片装置1包括包含被配置为接收撞击光线和将撞击光线大致重新定向到点或反之亦然的光学表面。中间镜片装置1包括一装置，该装置包括光学表面，该光学表面被配置为接收撞击光线和将撞击光线大致重新定向到线，即使光轴3从旋转轴线2偏离并且不平行于旋转轴线2。中间镜片装置1包括一装置，该装置包括光学表面，该光学表面被配置为接收撞击光线和将撞击光线大致重新定向到圆筒或圆筒形或环形线，即使光轴3从旋转轴线2偏离并且不平行于旋转轴线2。中间镜片装置1包括包含第二会聚光学表面114的装置，第二会聚光学表面114以一角度关系固定到第一会聚光学表面112，以阻遏在没有这种角度关系的情况下将会出现的焦线响应于光轴3从旋转轴线2的偏离而从光轴移位。应理解，进入环形平面光学表面101的大致全部光线可以由发散圆锥形光学表面114朝向会聚圆锥形光学表面112重新定向。应当理解，进入环形平面光学表面101的大致全部光线可以由发散圆锥形光学表面112朝向会聚圆锥形光学表面114重新定向，即使光轴3从旋转轴线2偏离。在一些实施例中的中间镜片装置1被公开包括围绕旋转轴线2径向设置的至少有两个同心圆锥形重新定向光学表面。在一些实施例中，重新定向表面相交以在距离旋转轴线2的径向距离处形成相交圆。无论旋转轴线2到光轴3存在角距(angular separation)或重合，电磁辐射沿其传播并且所述辐射撞击在其上的光轴3大致垂直或径向地发散。沿着光轴传播的辐射的入射角与焦线关于光轴3的位移有关，焦线大致平行于光轴3。中间镜片装置1大致弥补旋转轴线2和光轴3的角距。优势在于，焦线保持大致平行于光轴3，而不管到中间镜片装置1的入射角度，并且逆向地；围绕光轴3从焦线径向地偏离的发射以与大致平行于光轴3的焦线的位移相关的角度沿着光轴3传播。如在图5所示的现有技术的平凸透镜1的剖视图中，表面弓形高ζ或沿着旋转轴线2离开旋转表面的顶点的距离，可以按照距离旋转轴线2的垂直径向距离r、圆锥曲线常数k(k= ε2，其中ε等于圆锥形截面的偏心率；(_)负数用于圆锥形表面)和表面曲率c (其中曲率c等于曲率半径R的倒数或c = 1/R)描述为
权利要求
1.一种中间镜片装置(1)，包括大致环状中间镜片主体(100)，包括旋转轴线O)；与旋转轴线( 大致同轴的发散圆锥形光学表面(112)，发散圆锥形光学表面(112)被配置为接收沿着光轴( 从撞击方向传播的电磁辐射，其中光轴( 与旋转轴线( 重合或与旋转轴线( 相交，并且发散圆锥形光学表面(11 被配置为发散地重新定向电磁辐射远离旋转轴线O)；和与旋转轴线⑵大致同轴的会聚圆锥形光学表面(114)，会聚圆锥形光学表面(114)被配置为接收由发散圆锥形光学表面(11 发散地重新定向的电磁辐射，并且会聚圆锥形光学表面(114)被配置为朝向旋转轴线( 会聚地重新定向电磁辐射。
2.根据权利要求1所述中间镜片装置(1)，所述大致环状中间镜片主体(100)包括大致五角形横截面形状。
3.根据权利要求1所述中间镜片装置(1)，其中发散圆锥形光学表面(11 和会聚圆锥形光学表面(114)被配置为大致反射、折射或衍射电磁辐射。
4.根据权利要求1所述中间镜片装置(1)，其中由会聚圆锥形光学表面(114)重新定向的电磁辐射大致会聚在旋转轴线( 上。
5.根据权利要求1所述中间镜片装置(1)，其中无论光轴( 和旋转轴线( 之间存在角距或重合，由会聚圆锥形光学表面(114)重新定向的电磁辐射都大致垂直于进入中间镜片主体(100)的电磁辐射。
6.根据权利要求1所述中间镜片装置(1)，其中发散圆锥形光学表面(112)位于偏离旋转轴线O)的第一角(α )处，其中会聚圆锥形光学表面(114)位于偏离旋转轴线(2)的第二角(α 2)处，并且其中第一角(α )和第二角(α 2)不同。
7.根据权利要求1所述中间镜片装置(1)，其中发散圆锥形光学表面(112)位于偏离旋转轴线O)的第一角(α )处，其中会聚圆锥形光学表面(114)位于偏离旋转轴线(2)的第二角(α 2)处，其中第一角(α )大于第二角(α 2)。
8.根据权利要求1所述中间镜片装置(1)，所述中间镜片主体(100)还包括环形平面光学表面(101)，位于中间镜片主体(100)的撞击方向侧上，环形平面光学表面(101)被配置为大致通过电磁辐射；圆筒形光学表面(103)，围绕旋转轴线(2)定位并且被配置为在电磁辐射离开会聚圆锥形光学表面(114)以后大致通过电磁辐射；和非光学圆锥形表面(108)，在发散圆锥形光学表面(11 和会聚圆锥形光学表面(114)之间延伸，发散圆锥形光学表面(112)、会聚圆锥形光学表面(114)、环形平面光学表面(101)、圆筒形光学表面(10 和非光学圆锥形表面(108)提供中间镜片主体(100)的大致五角形横截面形状；所述环形平面光学表面(101)大致径向地定向到旋转轴线O)，并且环形平面光学表面(101)的外半径与会聚圆锥形光学表面(114)的内半径相同；环形平面光学表面(101)的内半径与圆筒形光学表面(10 的一端相同，并且所述圆筒形光学表面(103)的另一端(101)与发散圆锥形光学表面(112)的内半径相同；并且其中，离开会聚圆锥形光学表面(114)的电磁辐射大致穿过圆筒形光学表面(103)。
9.一种中间镜片装置(1)，包括:大致环状中间镜片主体(100)，包括旋转轴线O)；与旋转轴线( 大致同轴的发散圆锥形光学表面(112)，发散圆锥形光学表面(112)被配置为接收沿着光轴( 从撞击方向传播的电磁辐射，其中光轴( 与旋转轴线( 重合或与旋转轴线( 相交，并且发散圆锥形光学表面(11 被配置为发散地重新定向电磁辐射远离旋转轴线O)；和与旋转轴线⑵大致同轴的会聚圆锥形光学表面(114)，会聚圆锥形光学表面(114)被配置为接收由发散圆锥形光学表面(11 发散地重新定向的电磁辐射，并且会聚圆锥形光学表面(114)被配置为朝向旋转轴线( 会聚地重新定向电磁辐射；其中发散圆锥形光学表面(112)位于偏离旋转轴线O)的第一角(α )处，其中会聚圆锥形光学表面(114)位于偏离旋转轴线(2)的第二角(α 2)处，并且其中第一角(α )大于第二角(α 2)。
10.根据权利要求9所述中间镜片装置(1)，大致环状中间镜片主体(100)包括大致五角形横截面形状。
11.根据权利要求9所述中间镜片装置(1)，其中发散圆锥形光学表面(11 和会聚圆锥形光学表面(114)被配置为大致反射、折射或衍射电磁辐射。
12.根据权利要求9所述中间镜片装置(1)，其中由会聚圆锥形光学表面(114)重新定向的电磁辐射大致会聚在旋转轴线( 上。
13.根据权利要求9所述中间镜片装置(1)，其中无论光轴C3)和旋转轴线( 之间存在角距或重合，由会聚圆锥形光学表面(114)重新定向的电磁辐射都大致垂直于进入中间镜片主体(100)的电磁辐射。
14.根据权利要求9所述中间镜片装置(1)，所述中间镜片主体(100)还包括环形平面光学表面(101)，位于中间镜片主体(100)的撞击方向侧，环形平面光学表面(101)被配置为大致通过电磁辐射；圆筒形光学表面(103)，围绕旋转轴线(2)定位并且被配置为在电磁辐射离开会聚圆锥形光学表面(114)以后大致通过电磁辐射；和非光学圆锥形表面(108)，在发散圆锥形光学表面(11 和会聚圆锥形光学表面(114)之间延伸，发散圆锥形光学表面(112)、会聚圆锥形光学表面(114)、环形平面光学表面(101)、圆筒形光学表面(10 和非光学圆锥形表面(108)提供中间镜片主体(100)的大致五角形横截面形状；所述环形平面光学表面(101)大致径向地定向到旋转轴线O)，并且环形平面光学表面(101)的外半径与会聚圆锥形光学表面(114)的内半径相同；环形平面光学表面(101)的内半径与圆筒形光学表面(10 的一端相同，并且所述圆筒形光学表面(103)的另一端(101)与发散圆锥形光学表面(112)的内半径相同；并且其中，离开会聚圆锥形光学表面(114)的电磁辐射大致穿过圆筒形光学表面(103)。
15.一种中间镜片装置(1)，包括大致环状五角形中间镜片主体(100)，包括旋转轴线O)；与旋转轴线( 大致同轴的发散圆锥形光学表面(112)，发散圆锥形光学表面(112)被配置为接收沿着光轴( 从撞击方向传播的电磁辐射，其中光轴( 与旋转轴线( 重合或与旋转轴线( 相交，并且发散圆锥形光学表面(11 被配置为发散地重新定向电磁辐射远离旋转轴线O)；和与旋转轴线⑵大致同轴的会聚圆锥形光学表面(114)，会聚圆锥形光学表面(114)被配置为接收由发散圆锥形光学表面(11 发散地重新定向的电磁辐射，并且会聚圆锥形光学表面(114)被配置为朝向旋转轴线( 会聚地重新定向电磁辐射；环形平面光学表面(101)，位于中间镜片主体(100)的撞击方向侧，环形平面光学表面(101)被配置为大致通过电磁辐射；圆筒形光学表面(103)，围绕旋转轴线(2)定位并且被配置为在电磁辐射离开会聚圆锥形光学表面(114)以后大致通过电磁辐射；和非光学圆锥形表面(108)，在发散圆锥形光学表面(11 和会聚圆锥形光学表面(114)之间延伸，发散圆锥形光学表面(112)、会聚圆锥形光学表面(114)、环形平面光学表面(101)、圆筒形光学表面(10 和非光学圆锥形表面(108)提供中间镜片主体(100)的大致五角形横截面形状；所述环形平面光学表面(101)大致径向地定向到旋转轴线O)，并且环形平面光学表面(101)的外半径与会聚圆锥形光学表面(114)的内半径相同；环形平面光学表面(101)的内半径与圆筒形光学表面(10 的一端相同，并且所述圆筒形光学表面(103)的另一端(101)与发散圆锥形光学表面(112)的内半径相同；并且其中，离开会聚圆锥形光学表面(114)的电磁辐射大致穿过圆筒形光学表面(103)。
16.根据权利要求15所述中间镜片装置(1)，其中发散圆锥形光学表面(11 和会聚圆锥形光学表面(114)被配置为大致反射、折射或衍射电磁辐射。
17.根据权利要求15所述中间镜片装置(1)，其中由会聚圆锥形光学表面(114)重新定向的电磁辐射大致会聚在旋转轴线( 上。
18.根据权利要求15所述中间镜片装置(1)，无论光轴C3)和旋转轴线( 之间存在角距或重合，由会聚圆锥形光学表面(114)重新定向的电磁辐射大致垂直于进入中间镜片主体(100)的电磁辐射。
19.根据权利要求15所述中间镜片装置(1)，其中发散圆锥形光学表面(11 位于偏离旋转轴线(2)的第一角(α )处，其中会聚圆锥形光学表面(114)位于偏离旋转轴线(2)的第二角(α 2)处，其中第一角(α 1)和第二角(α 2)不同。
20.根据权利要求15所述中间镜片装置(1)，其中发散圆锥形光学表面(11 位于偏离旋转轴线(2)的第一角(α )处，其中会聚圆锥形光学表面(114)位于偏离旋转轴线(2)的第二角(α 2)处，并且其中第一角(α 1)大于第二角(α 2)。
全文摘要
本发明公开一种中间镜片装置(1)，包括大致环状中间镜片主体(100)，大致环状中间镜片主体(100)包括旋转轴线(2)；发散圆锥形光学表面(112)，与旋转轴线(2)大致同轴，发散圆锥形光学表面(112)被配置以接收沿着光轴(3)从撞击方向传播的电磁辐射，其中光轴(3)与旋转轴线(2)重合或与旋转轴线(2)相交，并且发散圆锥形光学表面(112)被配置以发散地重新定向电磁辐射远离旋转轴线(2)；和会聚圆锥形光学表面(114)，与旋转轴线(2)大致同轴，会聚圆锥形光学表面(114)被配置以接收由发散圆锥形光学表面(112)发散地重新定向的电磁辐射；并且会聚圆锥形光学表面(114)被配置以朝向旋转轴线(2)会聚地重新定向电磁辐射。
文档编号G02B5/00GK102597817SQ201080050503
公开日2012年7月18日 申请日期2010年9月8日 优先权日2009年9月11日
发明者佩里·A·帕伦博 申请人:哈希公司
技术领域：
本发明涉及光学装置领域，并且特别地，涉及中间镜片(meso-optic)光学装置。
背景技术：
镜片(optic)或光学元件的有用特征在于镜片的集中或聚焦电磁辐射的能力，或相反地，引导来自区域的辐射沿着预定射线路径或轴线(即光轴)发射的能力。特别有用的是将辐射聚焦成与光轴重合的线的形式。具有如图1所示的折射圆锥形表面的轴锥体提供将能量聚焦在与光轴大致重合的焦线(line-of-focus)上的手段。然而，具有折射圆锥表面的轴锥体不能大致垂直于光轴聚焦辐射。如图2所示，现有技术的具有单个反射圆锥形光学表面的反射式45度环形锥轴体1大致垂直于聚焦轴(focal axis)聚焦辐射5，聚焦轴与旋转轴线分开入射角β ；S卩，聚焦轴到旋转轴线的角距(angular separation)与入射角有关，并且形成圆锥形聚焦体积，其顶点与圆锥形光学表面的外观顶点重合。因此，辐射不垂直于光轴3发射或不指向旋转轴线2。仅在旋转轴线和光轴重合的特殊条件下，辐射垂直于光轴发射。如图3所示，现有技术的具有一个以上反射圆锥形光学表面的反射轴锥体(为一种W-轴锥体形式)可以作为束扩展器/束缩减器或束成形器，将来自圆形横截面的辐射的传播束改变成具有环形横截面的束或反之亦然，或者可以更像简单的将辐射聚焦到沿着光轴线的折射轴锥体一样起作用。现有技术的具有两个或两个以上圆锥形表面的反射轴锥体包括沿着光轴聚焦辐射的能力。然而，这种现有技术不能大致垂直于光轴聚焦辐射和不能够引导从光轴径向发散地发出的辐射，使得这种光学配置不适合其中要求从焦线大致径向发散的应用。如图4所示，现有技术的具有两个45度圆锥形光学表面的W-轴锥体作为回射器在束从两个圆锥形光学表面反射以后使被反射的束沿着光轴朝向辐射源返回，但不形成焦线。图4的W-轴锥体用作束扩展器/束缩减器或束成形器，使被反射的束沿着光轴朝向辐射来源返回，但是通过首先照射一个圆锥形光学表面和接下来照射另一个圆锥形光学表面来实现，将入射光束的形状从圆形横截面改变成环形横截面，或反之亦然。图5是现有技术的平凸透镜的截面视图，显示用于描述如应用于圆锥形表面的曲率半径和旋转表面的弓形高(sagitta)之间的关系的惯例。中间镜片的理想属性是下述能力，即准直从焦线或圆柱形表面径向地发散的辐射，以及将大致垂直地撞击在圆柱形表面上的辐射重新定向到大致平行圆柱形表面(即圆筒形聚焦面或焦曲面(focal surface))的轴线的方向。圆柱形聚焦面用于激光材料(尤其是那些圆柱或者杆形的那些激光材料)、太阳能聚光器的激励，和用于与能量的激励束成直角地检测和测量电磁发射；如在其中以与激励辐射大致成直角地进行荧光或浊度测量的情况一样。为了检测低水平的电磁事件或活动，如作为来自悬浮液中的小浓度颗粒或者来自产生荧光的能量发射的散射(scatter)的结果的光子在光电二极管上的撞击，通过光伏效应产生的电信号必须大于作为探测器材料的量子现象的结果所产生的噪声信号。相对于噪声信号，检测极限是关于噪声信号的可辨别事件信号，往往被认为是平均噪声信号的标准偏差的两倍的事件信号。由于探测器的固有噪声信号不能被完全地消除，并且可用于检测的电磁辐射量通常有限，有利的是将尽可能多的电磁事件聚集和集中在检测装置上以最大化信噪比。通常情况下，辐射发射到圆柱形发射表面或圆柱形体积的轴线成放射状。传统镜片(如将光线聚焦到线、矩形或半圆柱场的圆柱形透镜的镜片)被限制在围绕圆柱形表面的长轴的对向角(subtended angle)中，其在该对向角范围可以没有过多光学像差地操作。换句话说，圆柱形透镜仅可以成像圆柱形表面面对透镜的部分。为了实现圆柱形焦平面的三百六十度覆盖，需要多个圆柱形镜片。此外，如果从圆柱形表面发射的能量将被沿着圆柱形表面的轴线定向，则需要镜子形式的额外的光学元件。沿着单个光轴定向从圆柱形表面发出的能量是有利的，并且作为结果，可以使用诸如镜子、棱镜、透镜之类的传统镜片。如图2所示，仅在在圆柱的轴线缸和旋转轴线重合的特殊情况下，现有技术的反射轴锥体才能够将从圆柱形表面径向地发散地发射的辐射重新定向到大致平行于圆筒形表面的轴线的方向。利用单个圆锥形表面的现有技术的轴锥体关于形成靠近光轴的焦线的能力在入射光线不平行于光轴时受到限制。事实上，试图聚焦大致垂直于光轴的辐射的现有技术的轴锥体将经受过多的离轴像差；即，不与光轴重合地形成的焦线基本上被扭曲和失焦。
发明内容
在本发明的一个方面，一种中间镜片装置包括大致环状中间镜片主体，包括旋转轴线；与旋转轴线大致同轴的发散圆锥形光学表面，发散圆锥形光学表面被配置为接收沿着光轴从撞击方向传播的电磁辐射，其中光轴与旋转轴线重合或与旋转轴线相交，并且发散圆锥形光学表面被配置为发散地重新定向电磁辐射远离旋转轴线；和与旋转轴线大致同轴的会聚圆锥形光学表面，会聚圆锥形光学表面被配置为接收由发散圆锥形光学表面发散地重新定向的电磁辐射，并且会聚圆锥形光学表面被配置为朝向旋转轴线会聚地重新定向电磁辐射。优选地，所述大致环状中间镜片主体包括大致五角形横截面形状。优选地，发散圆锥形光学表面和会聚圆锥形光学表面被配置为大致反射、折射或衍射电磁辐射。优选地，会聚圆锥形光学表面重新定向的电磁辐射大致会聚在旋转轴线上。优选地，无论光轴和旋转轴线之间存在角距或重合，由会聚圆锥形光学表面重新定向的电磁辐射都大致垂直于进入中间镜片主体的电磁辐射。优选地，发散圆锥形光学表面位于偏离旋转轴线的第一角(α )处，其中会聚圆锥形光学表面位于偏离旋转轴线的第二角(α 2)处，并且其中第一角(α 1)和第二角(α 2)不同。优选地，发散圆锥形光学表面位于偏离旋转轴线的第一角(α )处，其中会聚圆锥形光学表面位于偏离旋转轴线的第二角(α 2)处，其中第一角(α )大于第二角(α 2)。优选地，所述中间镜片主体还包括环形平面光学表面，位于中间镜片主体的撞击方向侧上，环形平面光学表面被配置为大致通过电磁辐射；圆筒形光学表面，围绕旋转轴线定位并且被配置为在电磁辐射离开会聚圆锥形光学表面以后大致通过电磁辐射；和非光学圆锥形表面，在发散圆锥形光学表面和会聚圆锥形光学表面之间延伸，发散圆锥形光学表面、会聚圆锥形光学表面、环形平面光学表面、圆筒形光学表面和非光学圆锥形表面提供中间镜片主体的大致五角形横截面形状；所述环形平面光学表面大致径向地定向到旋转轴线，并且环形平面光学表面的外半径与会聚圆锥形光学表面的内半径相同；环形平面光学表面的内半径与圆筒形光学表面的一端相同，并且所述圆筒形光学表面的另一端与发散圆锥形光学表面的内半径相同；并且其中，离开会聚圆锥形光学表面的电磁辐射大致穿过圆筒形光学表面。在本发明的一个方面，一种中间镜片装置，包括大致环状中间镜片主体，包括旋转轴线；与旋转轴线大致同轴的发散圆锥形光学表面，发散圆锥形光学表面被配置为接收沿着光轴从撞击方向传播的电磁辐射，其中光轴与旋转轴线重合或与旋转轴线相交，并且发散圆锥形光学表面被配置为发散地重新定向电磁辐射远离旋转轴线；和与旋转轴线大致同轴的会聚圆锥形光学表面，会聚圆锥形光学表面被配置为接收由发散圆锥形光学表面发散地重新定向的电磁辐射，并且会聚圆锥形光学表面被配置为朝向旋转轴线会聚地重新定向电磁辐射；其中发散圆锥形光学表面位于偏离旋转轴线的第一角(α )处，其中会聚圆锥形光学表面位于偏离旋转轴线O)的第二角(α 2)处，并且其中第一角(α )大于第二角(α 2)。优选地，大致环状中间镜片主体包括大致五角形横截面形状。优选地，发散圆锥形光学表面和会聚圆锥形光学表面被配置为大致反射、折射或衍射电磁辐射。优选地，由会聚圆锥形光学表面重新定向的电磁辐射大致会聚在旋转轴线上。优选地，无论光轴和旋转轴线之间存在角距或重合，由会聚圆锥形光学表面重新定向的电磁辐射都大致垂直于进入中间镜片主体的电磁辐射。优选地，所述中间镜片主体还包括环形平面光学表面，位于中间镜片主体的撞击方向侧，环形平面光学表面被配置为大致通过电磁辐射；圆筒形光学表面，围绕旋转轴线定位并且被配置为在电磁辐射离开会聚圆锥形光学表面以后大致通过电磁辐射；和非光学圆锥形表面，在发散圆锥形光学表面和会聚圆锥形光学表面之间延伸，发散圆锥形光学表面、会聚圆锥形光学表面、环形平面光学表面、圆筒形光学表面和非光学圆锥形表面提供中间镜片主体的大致五角形横截面形状；所述环形平面光学表面大致径向地定向到旋转轴线，并且环形平面光学表面的外半径与会聚圆锥形光学表面的内半径相同；环形平面光学表面的内半径与圆筒形光学表面的一端相同，并且所述圆筒形光学表面的另一端与发散圆锥形光学表面的内半径相同；并且其中，离开会聚圆锥形光学表面的电磁辐射大致穿过圆筒形光学表面。在本发明的一个方面中，一种中间镜片装置，包括大致环状五角形中间镜片主体，包括旋转轴线；与旋转轴线大致同轴的发散圆锥形光学表面，发散圆锥形光学表面被配置为接收沿着光轴从撞击方向传播的电磁辐射，其中光轴与旋转轴线重合或与旋转轴线相交，并且发散圆锥形光学表面被配置为发散地重新定向电磁辐射远离旋转轴线；和
与旋转轴线大致同轴的会聚圆锥形光学表面，会聚圆锥形光学表面被配置为接收由发散圆锥形光学表面发散地重新定向的电磁辐射，并且会聚圆锥形光学表面被配置为朝向旋转轴线会聚地重新定向电磁辐射；环形平面光学表面，位于中间镜片主体的撞击方向侧，环形平面光学表面被配置为大致通过电磁辐射；圆筒形光学表面，围绕旋转轴线定位并且被配置为在电磁辐射离开会聚圆锥形光学表面以后大致通过电磁辐射；和非光学圆锥形表面，在发散圆锥形光学表面和会聚圆锥形光学表面之间延伸，发散圆锥形光学表面、会聚圆锥形光学表面、环形平面光学表面、圆筒形光学表面和非光学圆锥形表面提供中间镜片主体的大致五角形横截面形状；所述环形平面光学表面大致径向地定向到旋转轴线，并且环形平面光学表面的外半径与会聚圆锥形光学表面的内半径相同；环形平面光学表面的内半径与圆筒形光学表面的一端相同，并且所述圆筒形光学表面的另一端与发散圆锥形光学表面的内半径相同；并且其中，离开会聚圆锥形光学表面的电磁辐射大致穿过圆筒形光学表面。优选地，发散圆锥形光学表面和会聚圆锥形光学表面被配置为大致反射、折射或衍射电磁辐射。优选地，由会聚圆锥形光学表面重新定向的电磁辐射大致会聚在旋转轴线上。优选地，无论光轴和旋转轴线之间存在角距或重合，由会聚圆锥形光学表面重新定向的电磁辐射大致垂直于进入中间镜片主体的电磁辐射。优选地，发散圆锥形光学表面位于偏离旋转轴线的第一角(α )处，其中会聚圆锥形光学表面位于偏离旋转轴线的第二角(α 2)处，其中第一角(α )和第二角(α 2)不同。优选地，发散圆锥形光学表面位于偏离旋转轴线的第一角(α )处，其中会聚圆锥形光学表面位于偏离旋转轴线的第二角(α2)处，并且其中第一角(α )大于第二角(α 2)。
相同的附图标记在所有附图上代表相同元件。图1是由单个圆锥形光学表面构成的现有技术的折射轴锥体的剖面图。图2是由单个反射圆锥形光学表面构成的现有技术的45度环形轴锥体的等比例视图，显示对于旋转轴线与光轴不重合的情况，射线重合不垂直于光轴。图3是由两个圆锥形光学表面构成的现有技术的反射轴锥体的剖面视图，显示不垂直于光轴的射线重合。图4是由两个45度圆锥形光学表面构成的W-轴锥体的等比例视图，该W-轴锥体被配置为不考虑入射角度返回沿着光轴传播的束。图5是现有技术的平-凸透镜的剖视图，显示用来描述如应用于圆锥形表面的曲率半径和旋转表面的弓形高之间的关系的惯例。图6a_6b显示根据本发明的中间镜片装置。
图7是图8a_8b的中间镜片装置的等比例视图。图8a_8b显示第一表面反射中间镜片装置，其中发散圆锥形光学表面和会聚圆锥形光学表面包括第一表面反射表面，第一表面反射表面重新定向撞击辐射，而没有辐射进入中间镜片主体。图9是图8a_8b的中间镜片装置的等比例视图。
具体实施例方式附图和下面的说明描述具体示例，以教导本领域技术人员如何进行和使用本发明的最佳模式。为教导本发明的原理的目的，一些传统方面已经被简化或省略。本领域技术人员将理解来自这些示例的变化落入本发明的范围内。本领域技术人员理解，下面描述的特征可以以各种方式相结合，以形成本发明的多种变化。结果，本该发明不受限于下文所述的具体示例，只受限于权利要求及其等同物。图6a_6b显示根据本发明的中间镜片装置1。中间镜片装置1包括由至少部分光透射或透光(light-transmissive)材料形成的大致环形中间镜片主体100。在显示的实施例1中的中间镜片装置包括环形平面光学表面101、圆筒形光学表面103和非光学圆锥形表面108。环形平面光学表面101、圆筒形光学表面103和非光学圆锥形表面108都至少部分地透光，并且允许光线进入和/或退出中间镜片装置1。中间镜片装置1可以是大致环形的。中间镜片装置1可以是大致环形的，包括大致五角形横截面形状。光一般通过环形平面光学表面101进入中间镜片装置1。然而，应被理解，光可以在相反方向上逆向传播，并且可以通过环形平面光学表面101退出。附图中的中间镜片主体100的左侧因而被称为撞击方向，环形平面光学表面101定位在中间镜片主体100的撞击方向侧。进入或退出环形平面光学表面101的光线因此存在于中间镜片主体100的撞击方向侧。如在附图中显示，光(诸如图示地描绘在图6a和6b中的光线5)可以沿着光轴3传播。光(和光轴幻可以与中间镜片装置1的旋转轴线2平行。可替换地，光可以与旋转轴线2重合，以及可以与旋转轴线2相交，如图所示，使光轴3与旋转轴线2相差偏斜角β。中间镜片器件1可用于可见光波长。中间镜片装置1可用于非可见光波长。在此在光方面讨论中间镜片装置1，但应该被理解，中间镜片装置1可用于任何方式的电磁辐射。中间镜片装置1进一步包括发散(divergent)圆锥形光学表面112和会聚(convergent)圆锥形光学表面114。发散圆锥形光学表面112和会聚圆锥形光学表面114可以大致反射、折射、衍射或以其他方式阻碍或重新定向光。发散圆锥形光学表面112和会聚圆锥形光学表面114两者被配置为防止光线(或其他辐射)退出和/或进入中间光装置1。发散圆锥形光学表面112和会聚圆锥形光学表面114可以包括中间镜片主体100的一部分，或可以包括固定或添加到中间镜片主体100的材料和/或结构或形成在其中。例如，发散圆锥形光学表面112和会聚圆锥形光学表面114可以包括膜、沉积层、蚀刻结构或类似材料或结构。为了显示与中间镜片装置1的其他表面的差异，附图在发散圆锥形光学表面112和会聚圆锥形光学表面114上包括重的黑色阴影。在一些实施例中，发散圆锥形光学表面112和会聚圆锥形光学表面114被配置为在内部重新定向光，如图6b所示。因此，中间镜片装置1被构造为接收撞击光以及以预定的方式与撞击光相互作用和重新定向撞击光。图7是图6a_6b的中间镜片装置1的等比例视图。这个附图对应于图6a_6b的横截面视图并且显示容积型(即，实心容积)环形中间镜片装置1。容积型的中间光器件的1被配置为接收撞击辐射，其中撞击辐射进入中间镜片机构100并且大致在内部被重新定向。实心容积(solid volume)型中间镜片装置1的优点是内部反射表面耐恶劣环境，在该恶劣环境中反射表面的暴露否则可能会由于腐蚀或磨损而损坏反光材料或涂料。此外，图6-7的中间镜片装置1的实心容积型结构容易制作；由于可从外面接近光学表面，使得检查和光学镀膜更简单地应用。中间镜片主体100可以由任何合适材料或多种材料形成。一般来说，中间镜片主体100将大致通过光(或其他电磁辐射)。然而，发散圆锥形光学表面112和会聚圆锥形光学表面114被配置为大致重新定向撞击在这两个表面或表面部件上的光。电磁辐射以感兴趣的波长传播通过中间镜片主体100或大致在中间镜片主体100的边界处被重新定向。电磁辐射可以被全部或部分地重新定向。重新定向可以包括辐射的强度和/或光谱含量的一些或者全部。重新定向可以是中间镜片主体100的光学表面和/或结构材料的特征反射和/或吸收的结果。重新定向可以通过反射、折射、衍射或其任何组合实现。在一些实施例中，如通过光线5显示，光平行于光轴3传播。光轴3可以平行于中间镜片装置1的旋转轴线2，或从中间镜片装置1的旋转轴线2偏离。光线通过环形平面101进入中间镜片主体和100并且通过中间镜片主体100传播直到光线到达发散圆锥形光学表面112。如图所示，发散圆锥形光学表面112接收光线5并且大致朝向会聚圆锥形光学表面114重新定向光线5。同样地，会聚圆锥形光学表面114接收到光线5并且大致朝向圆筒形光学表面103重新定向光线5。光线5随后退出中间镜片主体100并且集中在沿着焦线的点处。焦线可以平行于光轴3和/或与光轴3重合。如图所示，沿着焦线，光线5可以大致垂直于光轴3。在一些实施例中，环形平面光学表面101可以大致允许光线5进入中间镜片主体100。替换地，在其他实施例中，可以稍微折射、衍射或影响传递穿过其中的辐射。在一些实施例中，环形平面光学表面101可以根据辐射的传播方向大致允许光线5退出中间镜片主体 100。在一些实施例中，圆筒形光学表面103可以大致允许光线5退出中间镜片主体100。替换地，在其他实施例中，圆筒形光学表面103可以稍微折射、衍射或影响传递穿过其中的辐射。在一些实施例中，圆筒形光学表面103可以根据辐射的传播方向大致允许光线5退出中间镜片主体100。在一些实施例中，发散圆锥形光学表面112和会聚圆锥形光学表面114大致同轴。发散圆锥形光学表面112和会聚圆锥形光学表面114在一些实施例中大致同心。发散圆锥形光学表面112和会聚圆锥形光学表面114在一些实施例中为大致圆锥形形状。发散圆锥形光学表面112和会聚圆锥形光学表面114在一些实施例中为大致弯曲圆锥形形状。
发散圆锥形光学表面112和会聚圆锥形光学表面114可以形成在偏离旋转轴线2的相同或不同的角度处。在一些实施例中，发散圆锥形光学表面112形成在距离旋转轴线2的第一角度(α )处，和会聚圆锥形光学表面114形成在距离旋转轴线2的第二角度(α 2)处。在一些实施例中，发散圆锥形光学表面112形成在距离旋转轴线2的第一角度(α )处，和会聚圆锥形光学表面114形成在距离旋转轴线2的第二角度(α2)，其中第一角度(α )与第二角度(α》不同。在一些实施例中，发散圆锥形光学表面112形成在距离旋转轴线2的第一角度(α )处，和会聚圆锥形光学表面114形成在距离旋转轴线2的第二角度(α》，其中第一角度(α )大于第二角度(α2)中间镜片装置1可以包括包含至少两个重新定向光学表面的装置。中间镜片装置1可以包括包含至少两个内部地重新定向光学表面的装置。可替换地，中间镜片装置1可以包括包含至少两个外部地重新定向光学表面的装置。中间镜片装置1可以包括包含位于至共同旋转轴线的不同的角度处的至少两个重新定向光学表面的装置。中间镜片装置1包括包含被配置为接收撞击光线和将撞击光线大致重新定向到点或反之亦然的光学表面。中间镜片装置1包括一装置，该装置包括光学表面，该光学表面被配置为接收撞击光线和将撞击光线大致重新定向到线，即使光轴3从旋转轴线2偏离并且不平行于旋转轴线2。中间镜片装置1包括一装置，该装置包括光学表面，该光学表面被配置为接收撞击光线和将撞击光线大致重新定向到圆筒或圆筒形或环形线，即使光轴3从旋转轴线2偏离并且不平行于旋转轴线2。中间镜片装置1包括包含第二会聚光学表面114的装置，第二会聚光学表面114以一角度关系固定到第一会聚光学表面112，以阻遏在没有这种角度关系的情况下将会出现的焦线响应于光轴3从旋转轴线2的偏离而从光轴移位。应理解，进入环形平面光学表面101的大致全部光线可以由发散圆锥形光学表面114朝向会聚圆锥形光学表面112重新定向。应当理解，进入环形平面光学表面101的大致全部光线可以由发散圆锥形光学表面112朝向会聚圆锥形光学表面114重新定向，即使光轴3从旋转轴线2偏离。在一些实施例中的中间镜片装置1被公开包括围绕旋转轴线2径向设置的至少有两个同心圆锥形重新定向光学表面。在一些实施例中，重新定向表面相交以在距离旋转轴线2的径向距离处形成相交圆。无论旋转轴线2到光轴3存在角距(angular separation)或重合，电磁辐射沿其传播并且所述辐射撞击在其上的光轴3大致垂直或径向地发散。沿着光轴传播的辐射的入射角与焦线关于光轴3的位移有关，焦线大致平行于光轴3。中间镜片装置1大致弥补旋转轴线2和光轴3的角距。优势在于，焦线保持大致平行于光轴3，而不管到中间镜片装置1的入射角度，并且逆向地；围绕光轴3从焦线径向地偏离的发射以与大致平行于光轴3的焦线的位移相关的角度沿着光轴3传播。如在图5所示的现有技术的平凸透镜1的剖视图中，表面弓形高ζ或沿着旋转轴线2离开旋转表面的顶点的距离，可以按照距离旋转轴线2的垂直径向距离r、圆锥曲线常数k(k= ε2，其中ε等于圆锥形截面的偏心率；(_)负数用于圆锥形表面)和表面曲率c (其中曲率c等于曲率半径R的倒数或c = 1/R)描述为
权利要求
1.一种中间镜片装置(1)，包括大致环状中间镜片主体(100)，包括旋转轴线O)；与旋转轴线( 大致同轴的发散圆锥形光学表面(112)，发散圆锥形光学表面(112)被配置为接收沿着光轴( 从撞击方向传播的电磁辐射，其中光轴( 与旋转轴线( 重合或与旋转轴线( 相交，并且发散圆锥形光学表面(11 被配置为发散地重新定向电磁辐射远离旋转轴线O)；和与旋转轴线⑵大致同轴的会聚圆锥形光学表面(114)，会聚圆锥形光学表面(114)被配置为接收由发散圆锥形光学表面(11 发散地重新定向的电磁辐射，并且会聚圆锥形光学表面(114)被配置为朝向旋转轴线( 会聚地重新定向电磁辐射。
2.根据权利要求1所述中间镜片装置(1)，所述大致环状中间镜片主体(100)包括大致五角形横截面形状。
3.根据权利要求1所述中间镜片装置(1)，其中发散圆锥形光学表面(11 和会聚圆锥形光学表面(114)被配置为大致反射、折射或衍射电磁辐射。
4.根据权利要求1所述中间镜片装置(1)，其中由会聚圆锥形光学表面(114)重新定向的电磁辐射大致会聚在旋转轴线( 上。
5.根据权利要求1所述中间镜片装置(1)，其中无论光轴( 和旋转轴线( 之间存在角距或重合，由会聚圆锥形光学表面(114)重新定向的电磁辐射都大致垂直于进入中间镜片主体(100)的电磁辐射。
6.根据权利要求1所述中间镜片装置(1)，其中发散圆锥形光学表面(112)位于偏离旋转轴线O)的第一角(α )处，其中会聚圆锥形光学表面(114)位于偏离旋转轴线(2)的第二角(α 2)处，并且其中第一角(α )和第二角(α 2)不同。
7.根据权利要求1所述中间镜片装置(1)，其中发散圆锥形光学表面(112)位于偏离旋转轴线O)的第一角(α )处，其中会聚圆锥形光学表面(114)位于偏离旋转轴线(2)的第二角(α 2)处，其中第一角(α )大于第二角(α 2)。
8.根据权利要求1所述中间镜片装置(1)，所述中间镜片主体(100)还包括环形平面光学表面(101)，位于中间镜片主体(100)的撞击方向侧上，环形平面光学表面(101)被配置为大致通过电磁辐射；圆筒形光学表面(103)，围绕旋转轴线(2)定位并且被配置为在电磁辐射离开会聚圆锥形光学表面(114)以后大致通过电磁辐射；和非光学圆锥形表面(108)，在发散圆锥形光学表面(11 和会聚圆锥形光学表面(114)之间延伸，发散圆锥形光学表面(112)、会聚圆锥形光学表面(114)、环形平面光学表面(101)、圆筒形光学表面(10 和非光学圆锥形表面(108)提供中间镜片主体(100)的大致五角形横截面形状；所述环形平面光学表面(101)大致径向地定向到旋转轴线O)，并且环形平面光学表面(101)的外半径与会聚圆锥形光学表面(114)的内半径相同；环形平面光学表面(101)的内半径与圆筒形光学表面(10 的一端相同，并且所述圆筒形光学表面(103)的另一端(101)与发散圆锥形光学表面(112)的内半径相同；并且其中，离开会聚圆锥形光学表面(114)的电磁辐射大致穿过圆筒形光学表面(103)。
9.一种中间镜片装置(1)，包括:大致环状中间镜片主体(100)，包括旋转轴线O)；与旋转轴线( 大致同轴的发散圆锥形光学表面(112)，发散圆锥形光学表面(112)被配置为接收沿着光轴( 从撞击方向传播的电磁辐射，其中光轴( 与旋转轴线( 重合或与旋转轴线( 相交，并且发散圆锥形光学表面(11 被配置为发散地重新定向电磁辐射远离旋转轴线O)；和与旋转轴线⑵大致同轴的会聚圆锥形光学表面(114)，会聚圆锥形光学表面(114)被配置为接收由发散圆锥形光学表面(11 发散地重新定向的电磁辐射，并且会聚圆锥形光学表面(114)被配置为朝向旋转轴线( 会聚地重新定向电磁辐射；其中发散圆锥形光学表面(112)位于偏离旋转轴线O)的第一角(α )处，其中会聚圆锥形光学表面(114)位于偏离旋转轴线(2)的第二角(α 2)处，并且其中第一角(α )大于第二角(α 2)。
10.根据权利要求9所述中间镜片装置(1)，大致环状中间镜片主体(100)包括大致五角形横截面形状。
11.根据权利要求9所述中间镜片装置(1)，其中发散圆锥形光学表面(11 和会聚圆锥形光学表面(114)被配置为大致反射、折射或衍射电磁辐射。
12.根据权利要求9所述中间镜片装置(1)，其中由会聚圆锥形光学表面(114)重新定向的电磁辐射大致会聚在旋转轴线( 上。
13.根据权利要求9所述中间镜片装置(1)，其中无论光轴C3)和旋转轴线( 之间存在角距或重合，由会聚圆锥形光学表面(114)重新定向的电磁辐射都大致垂直于进入中间镜片主体(100)的电磁辐射。
14.根据权利要求9所述中间镜片装置(1)，所述中间镜片主体(100)还包括环形平面光学表面(101)，位于中间镜片主体(100)的撞击方向侧，环形平面光学表面(101)被配置为大致通过电磁辐射；圆筒形光学表面(103)，围绕旋转轴线(2)定位并且被配置为在电磁辐射离开会聚圆锥形光学表面(114)以后大致通过电磁辐射；和非光学圆锥形表面(108)，在发散圆锥形光学表面(11 和会聚圆锥形光学表面(114)之间延伸，发散圆锥形光学表面(112)、会聚圆锥形光学表面(114)、环形平面光学表面(101)、圆筒形光学表面(10 和非光学圆锥形表面(108)提供中间镜片主体(100)的大致五角形横截面形状；所述环形平面光学表面(101)大致径向地定向到旋转轴线O)，并且环形平面光学表面(101)的外半径与会聚圆锥形光学表面(114)的内半径相同；环形平面光学表面(101)的内半径与圆筒形光学表面(10 的一端相同，并且所述圆筒形光学表面(103)的另一端(101)与发散圆锥形光学表面(112)的内半径相同；并且其中，离开会聚圆锥形光学表面(114)的电磁辐射大致穿过圆筒形光学表面(103)。
15.一种中间镜片装置(1)，包括大致环状五角形中间镜片主体(100)，包括旋转轴线O)；与旋转轴线( 大致同轴的发散圆锥形光学表面(112)，发散圆锥形光学表面(112)被配置为接收沿着光轴( 从撞击方向传播的电磁辐射，其中光轴( 与旋转轴线( 重合或与旋转轴线( 相交，并且发散圆锥形光学表面(11 被配置为发散地重新定向电磁辐射远离旋转轴线O)；和与旋转轴线⑵大致同轴的会聚圆锥形光学表面(114)，会聚圆锥形光学表面(114)被配置为接收由发散圆锥形光学表面(11 发散地重新定向的电磁辐射，并且会聚圆锥形光学表面(114)被配置为朝向旋转轴线( 会聚地重新定向电磁辐射；环形平面光学表面(101)，位于中间镜片主体(100)的撞击方向侧，环形平面光学表面(101)被配置为大致通过电磁辐射；圆筒形光学表面(103)，围绕旋转轴线(2)定位并且被配置为在电磁辐射离开会聚圆锥形光学表面(114)以后大致通过电磁辐射；和非光学圆锥形表面(108)，在发散圆锥形光学表面(11 和会聚圆锥形光学表面(114)之间延伸，发散圆锥形光学表面(112)、会聚圆锥形光学表面(114)、环形平面光学表面(101)、圆筒形光学表面(10 和非光学圆锥形表面(108)提供中间镜片主体(100)的大致五角形横截面形状；所述环形平面光学表面(101)大致径向地定向到旋转轴线O)，并且环形平面光学表面(101)的外半径与会聚圆锥形光学表面(114)的内半径相同；环形平面光学表面(101)的内半径与圆筒形光学表面(10 的一端相同，并且所述圆筒形光学表面(103)的另一端(101)与发散圆锥形光学表面(112)的内半径相同；并且其中，离开会聚圆锥形光学表面(114)的电磁辐射大致穿过圆筒形光学表面(103)。
16.根据权利要求15所述中间镜片装置(1)，其中发散圆锥形光学表面(11 和会聚圆锥形光学表面(114)被配置为大致反射、折射或衍射电磁辐射。
17.根据权利要求15所述中间镜片装置(1)，其中由会聚圆锥形光学表面(114)重新定向的电磁辐射大致会聚在旋转轴线( 上。
18.根据权利要求15所述中间镜片装置(1)，无论光轴C3)和旋转轴线( 之间存在角距或重合，由会聚圆锥形光学表面(114)重新定向的电磁辐射大致垂直于进入中间镜片主体(100)的电磁辐射。
19.根据权利要求15所述中间镜片装置(1)，其中发散圆锥形光学表面(11 位于偏离旋转轴线(2)的第一角(α )处，其中会聚圆锥形光学表面(114)位于偏离旋转轴线(2)的第二角(α 2)处，其中第一角(α 1)和第二角(α 2)不同。
20.根据权利要求15所述中间镜片装置(1)，其中发散圆锥形光学表面(11 位于偏离旋转轴线(2)的第一角(α )处，其中会聚圆锥形光学表面(114)位于偏离旋转轴线(2)的第二角(α 2)处，并且其中第一角(α 1)大于第二角(α 2)。
全文摘要
本发明公开一种中间镜片装置(1)，包括大致环状中间镜片主体(100)，大致环状中间镜片主体(100)包括旋转轴线(2)；发散圆锥形光学表面(112)，与旋转轴线(2)大致同轴，发散圆锥形光学表面(112)被配置以接收沿着光轴(3)从撞击方向传播的电磁辐射，其中光轴(3)与旋转轴线(2)重合或与旋转轴线(2)相交，并且发散圆锥形光学表面(112)被配置以发散地重新定向电磁辐射远离旋转轴线(2)；和会聚圆锥形光学表面(114)，与旋转轴线(2)大致同轴，会聚圆锥形光学表面(114)被配置以接收由发散圆锥形光学表面(112)发散地重新定向的电磁辐射；并且会聚圆锥形光学表面(114)被配置以朝向旋转轴线(2)会聚地重新定向电磁辐射。
文档编号G02B5/00GK102597817SQ201080050503
公开日2012年7月18日 申请日期2010年9月8日 优先权日2009年9月11日
发明者佩里·A·帕伦博 申请人:哈希公司
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