專利名稱：環(huán)狀光學裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種光學裝置，并且更具體地涉及一種環(huán)狀光學裝置。
背景技術(shù)：
發(fā)現(xiàn)難以測量弱電磁輻射，諸如波長為大約0.01微米至1000微米(μπι)的電磁輻射或光學輻射。這樣的弱輻射可以包括在測量渾濁樣本以確定濃度時通過發(fā)射熒光或發(fā)光樣本產(chǎn)生的光、或在懸浮介質(zhì)中的顆粒的反射信號。
在這樣的情形中，難以在檢測系統(tǒng)的固有噪聲和樣本產(chǎn)生的信號值之間進行區(qū)分。信噪比(SNR)是檢測系統(tǒng)的信號值相對于噪聲值的度量單位。在實踐中，大約為噪聲值的兩倍的信號值被認為是檢測系統(tǒng)在置信水平下區(qū)分信號值與噪聲值的實際極限。
可以采用各種方法降低檢測系統(tǒng)的固有噪聲值，諸如冷卻檢測器來降低隨機電子的熱生成或通過采用信號處理技術(shù)(例如信號平均化處理)。但是這些方法在應用或有效性上是受限制的，其中達到了一極限，不能通過信號處理來實現(xiàn)噪聲值的進一步的降低。
如果檢測器的噪聲值不能被進一步降低，則僅可以通過增加信號值來提高SNR。一種采用改善信號值的常用方法是將輻射聚集到檢測器中。另一方法是增加激發(fā)輻射的強度。然而，增加激發(fā)束的強度由于分子鍵的加熱或破裂而可能會損壞樣本，因此受限于某一實際的閾值。
用于聚集光學輻射的傳統(tǒng)光學元件(諸如透鏡或反射鏡)本質(zhì)上是有方向性的，收集從特定方向或源區(qū)域沿著特定射線路徑發(fā)射的輻射。典型地，在檢測弱光學信號中利用的系統(tǒng)定位成大致垂直于激發(fā)輻射的入射束，以便最大化SNR。另外，由熒光或顆粒散射發(fā)射的大部分輻射未被檢測到，這是由于輻射聚集裝置的有限的對角。
可能影響光學測量系統(tǒng)的SNR的另一噪聲源是雜散輻射。雜散輻射是可檢測的輻射，其射到檢測裝置上，產(chǎn)生處于檢驗中的與樣本或電磁現(xiàn)象不相關(guān)的信號。作為示例，容納在檢測器中但是沒有傳播通過樣品或與樣品相互作用的輻射是常見的雜散輻射。發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的一個方面中，提供了一種環(huán)狀光學裝置。所述環(huán)形個光學裝置包括:
環(huán)狀中間光學裝置，所述環(huán)狀中間光學裝置包括以旋轉(zhuǎn)軸線為中心的環(huán)；和
輔助光學結(jié)構(gòu)，所述輔助光學結(jié)構(gòu)基本上同軸地位于環(huán)狀中間光學裝置的環(huán)內(nèi)，其中輔助光學結(jié)構(gòu)和環(huán)狀中間光學裝置被具有低于輔助光學結(jié)構(gòu)的折射率的介質(zhì)折射率的介質(zhì)分隔開，輔助光學結(jié)構(gòu)配置成保持樣本以被基本上沿著旋轉(zhuǎn)軸線引導到輔助光學結(jié)構(gòu)中的入射電磁輻射照射，其中來自輔助光學結(jié)構(gòu)且在環(huán)狀中間光學裝置的環(huán)內(nèi)的被散射的輻射在所述被散射的輻射的入射角超過預定入射閾值的情況下被允許通過輔助光學結(jié)構(gòu)進入到環(huán)狀中間光學裝置中，以及其中環(huán)狀中間光學裝置使被散射的輻射改變方向以包括基本上平行于旋轉(zhuǎn)軸線的被改變方向的輻射。
優(yōu)選地，環(huán)狀中間光學裝置中所接收到的被散射的輻射基本上從環(huán)狀中間光學裝置的焦線徑向發(fā)散，而與入射電磁輻射與旋轉(zhuǎn)軸線的角度間隔無關(guān)。
優(yōu)選地，所述被散射的輻射被環(huán)狀中間光學裝置接收并基本上沿著旋轉(zhuǎn)軸線被改變方向，其中被改變方向的輻射從環(huán)狀中間光學裝置的平面環(huán)狀光學表面出射。
優(yōu)選地，在入射角小于預定入射閾值的情況下，被散射的輻射被輔助光學結(jié)構(gòu)內(nèi)部地改變方向，且不能穿入到環(huán)狀中間光學裝置中。
優(yōu)選地，輔助光學結(jié)構(gòu)包括能透射輻射的封閉端，所述封閉端配置成允許所述入射電磁輻射進入。
優(yōu)選地，輔助光學結(jié)構(gòu)包括圍繞環(huán)狀中間光學裝置的焦線的至少一個能透射輻射的區(qū)域。
優(yōu)選地，環(huán)狀光學裝置還包括輻射阻擋結(jié)構(gòu)，所述輻射阻擋結(jié)構(gòu)定位在輔助光學結(jié)構(gòu)的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，其中所述輻射阻擋結(jié)構(gòu)防止輻射離開輔助光學結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選地，環(huán)狀光學裝置還包括輻射阻擋結(jié)構(gòu)，所述輻射阻擋結(jié)構(gòu)定位在輔助光學結(jié)構(gòu)的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，并且至少部分地從環(huán)狀中間光學裝置的平面環(huán)狀光學表面延伸出來。
優(yōu)選地，環(huán)狀光學裝置還包括輻射阻擋結(jié)構(gòu)，所述輻射阻擋結(jié)構(gòu)定位在輔助光學結(jié)構(gòu)的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，并且使輔助光學裝置在環(huán)狀中間光學裝置的環(huán)內(nèi)基本上居中。
在本發(fā)明的一方面中，提供可一種形成環(huán)狀光學裝置的方法，所述方法包括以下步驟:
設置環(huán)狀中間光學裝置，所述環(huán)狀中間光學裝置包括以旋轉(zhuǎn)軸線為中心的環(huán)；和
設置輔助光學結(jié)構(gòu)，所述輔助光學結(jié)構(gòu)基本上同軸地位于所述環(huán)狀中間光學裝置的環(huán)內(nèi)，其中所述輔助光學結(jié)構(gòu)和所述環(huán)狀中間光學裝置被具有低于輔助光學結(jié)構(gòu)的折射率的介質(zhì)折射率的介質(zhì)分隔開，輔助光學結(jié)構(gòu)配置成保持樣本以被基本上沿著旋轉(zhuǎn)軸線引導到輔助光學結(jié)構(gòu)中的入射電磁輻射輻射，其中來自輔助光學結(jié)構(gòu)且在環(huán)狀中間光學裝置的環(huán)內(nèi)的被散射的輻射在所述被散射的輻射的入射角超過預定入射閾值的情況下被允許通過輔助光學結(jié)構(gòu)進入到環(huán)狀中間光學裝置中，以及其中環(huán)狀中間光學裝置使被散射的輻射改變方向以包括基本上平行于旋轉(zhuǎn)軸線的被改變方向的輻射。
優(yōu)選地，環(huán)狀中間光學裝置中所接收到的被散射的輻射基本上從環(huán)狀中間光學裝置的焦線徑向發(fā)散，而與入射電磁輻射與旋轉(zhuǎn)軸線的角度間隔無關(guān)。
優(yōu)選地，被散射的輻射被環(huán)狀中間光學裝置接收并基本上沿著旋轉(zhuǎn)軸線被改變方向，其中被改變方向的輻射從環(huán)狀中間光學裝置的平面環(huán)狀光學表面出射。
優(yōu)選地，在入射角小于預定入射閾值的情況下，被散射的輻射被輔助光學結(jié)構(gòu)內(nèi)部地改變方向，且不能穿入到環(huán)狀中間光學裝置中。
優(yōu)選地，輔助光學結(jié)構(gòu)包括能透射輻射的封閉端，所述封閉端配置成允許所述入射電磁輻射進入。
優(yōu)選地，輔助光學結(jié)構(gòu)包括圍繞環(huán)狀中間光學裝置的焦線的至少一個能透射輻射的區(qū)域。
優(yōu)選地，所述方法，還包括以下步驟:設置輻射吸收結(jié)構(gòu)，所述輻射吸收結(jié)構(gòu)定位在輔助光學結(jié)構(gòu)的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，其中所述輻射阻擋結(jié)構(gòu)防止輻射離開輔助光學結(jié)構(gòu)。
優(yōu)選地，所述方法還包括以下步驟:設置輻射吸收結(jié)構(gòu)，所述輻射吸收結(jié)構(gòu)定位在輔助光學結(jié)構(gòu)的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，并且至少部分地從環(huán)狀中間光學裝置的平面環(huán)狀光學表面延伸出來。
優(yōu)選地，所述方法還包括以下步驟:設置輻射吸收結(jié)構(gòu)，所述輻射吸收結(jié)構(gòu)定位在輔助光學結(jié)構(gòu)的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，并且使輔助光學裝置在環(huán)狀中間光學裝置的環(huán)內(nèi)基本上居中。


相同的參考標號表示所有附圖中的相同的元件。附圖不一定是按比例繪制的。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的環(huán)狀光學裝置的等大視圖2是圖1的環(huán)狀光學裝置的端視圖3是環(huán)狀光學裝置的側(cè)視圖4是環(huán)狀光學裝置的沿著旋轉(zhuǎn)軸線A的剖面視圖AA ；
圖5顯示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的環(huán)狀光學裝置；以及
圖6是圖5的環(huán)狀光學裝置的剖視圖BB。
具體實施方式
圖1-6和下述的描述示出特定的示例，用于教導本領域技術(shù)人員如何制造和使用本發(fā)明的最佳實施方式。為了教導本發(fā)明的原理的目的，一些傳統(tǒng)的方面被簡化或省略。本領域技術(shù)人員將理解這些示例中的變形落入到本發(fā)明的范圍內(nèi)。本領域技術(shù)人員將理解，下文所述的特征可以以各種方式組合以形成本發(fā)明的多個變形。因此，本發(fā)明不限于下文所述的特定示例，而是僅由權(quán)利要求書及其等效結(jié)構(gòu)來限制。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的環(huán)狀光學裝置100的等大視圖。環(huán)狀光學裝置100包括環(huán)狀中間光學裝置(meso-optic) I和輔助光學結(jié)構(gòu)2，所述中間光學裝置I和輔助光學結(jié)構(gòu)2基本上圍繞旋轉(zhuǎn)軸線A且以所述旋轉(zhuǎn)軸線作為中心設置。環(huán)狀中間光學裝置I包括環(huán)11，該環(huán)11穿過環(huán)狀中間光學裝置I且也基本上以旋轉(zhuǎn)軸線A為中心設置(參見圖4)。輔助光學結(jié)構(gòu)2位于環(huán)11上，因此輔助光學結(jié)構(gòu)2基本與環(huán)狀中間結(jié)構(gòu)I同軸。輔助光學結(jié)構(gòu)2可以被定位在環(huán)11內(nèi)，使得在一些實施例中輔助光學結(jié)構(gòu)2至少部分地延伸通過環(huán)狀中間光學裝置I。在一些實施例中，輔助光學結(jié)構(gòu)2可以定位成完全延伸通過環(huán)11和環(huán)狀中間光學裝置I。
環(huán)狀光學裝置100可以包括光學設備的部件。環(huán)狀光學裝置100可以包括采用散射光、反射光、折射光、重新定向光、或透射光(或其它可見或不可見電磁輻射)的任何裝置的部件。
環(huán)狀光學裝置100可以包括使用光來檢測、測量和/或表征流體中的雜質(zhì)(諸如顆粒)的任何裝置的部件。例如，環(huán)狀光學裝置100可以包括用于檢測和/或量化水中的顆粒的裝置的部件。然而，流體可以包括任何樣式的氣體或液體，可以包括氣體、液體和/或固體的各種組合。環(huán)狀光學裝置100在一些實施例中可以包括濁度計或渾濁計的部件。
環(huán)狀光學裝置100可以接收沿著旋轉(zhuǎn)軸線A被弓丨導到輔助光學結(jié)構(gòu)2中的光(或其它輻射)，其中環(huán)狀光學裝置100僅捕獲基本上在輔助光學結(jié)構(gòu)2內(nèi)被徑向散射的光。環(huán)狀光學裝置100使散射光改變方向以基本上平行于旋轉(zhuǎn)軸線A和基本上與入射輻射的方向相反地返回出射。因此，環(huán)狀光學裝置100使輻射作為平面波前改變方向。此處實施例中的環(huán)狀中間光學裝置I包括軸錐體。軸錐體是用于將作為平面波前傳播的光學輻射會聚到線性焦點或相反地將光學輻射的徑向發(fā)散的線性部分準直成平面波前的光學元件。具體地，環(huán)狀軸錐體執(zhí)行圍繞旋轉(zhuǎn)軸線的會聚或準直，其中軸錐體不占據(jù)沿著焦線的空間。環(huán)狀軸錐體在焦線或徑向發(fā)散線基本上垂直于平面波前的情況下尤其有效。
輔助光學結(jié)構(gòu)2和環(huán)狀中間光學裝置I被介質(zhì)12分離開。介質(zhì)12具有低于輔助光學結(jié)構(gòu)折射率的介質(zhì)折射率。
在一些實施例中，輔助光學結(jié)構(gòu)2包括容器，該容器包括開口端2a、壁2b以及封閉端2c。在一些實施例中，輔助光學結(jié)構(gòu)2包括可透射輻射的封閉端2c，所述封閉端配置成基本上允許入射電磁輻射進入。在一些實施例中，輔助光學結(jié)構(gòu)2包括在壁2b中且圍繞和/或沿著環(huán)狀中間光學裝置I的焦線7的至少一個可透射輻射的區(qū)域，該至少一個可透射輻射的區(qū)域配置成基本上使入射的電磁輻射穿過?？商娲?，整個輔助光學結(jié)構(gòu)2可以基本上使輻射透射。輻射可以通過開口端2a行進到輔助光學結(jié)構(gòu)2的外面。
輔助光學結(jié)構(gòu)2可以保持待測試、測量或以其他方式量化的樣本3。應當理解，樣本3可以被靜止地保持在輔助光學結(jié)構(gòu)2內(nèi)，或可以在輔助光學結(jié)構(gòu)2內(nèi)循環(huán)或通過輔助光學結(jié)構(gòu)2循環(huán)。
輔助光學結(jié)構(gòu)2配置成保持樣本，以通過使改變方向的電磁輻射基本上沿著旋轉(zhuǎn)軸線A入射到輔助光學結(jié)構(gòu)2中而被輻射。例如，諸如光束5的輻射可以被引導到輔助光學結(jié)構(gòu)2中。輻射可以主要穿過保持在輔助光學結(jié)構(gòu)2中的樣本3。然而，可以散射至少一些輻射。輻射在透射通過輔助光學結(jié)構(gòu)2時可以被樣本散射(或被樣本3內(nèi)的感興趣材料或成分散射)。福射可以被以不同的角度散射。
樣本3可以包括氣體、液體、或氣體、液體和/或固體的混合物。樣本3可以包括氣體、液體或固體的期望被檢測和/或量化的顆粒。樣本3可以包括懸浮顆?；蚋鞣N混合物、懸浮液或不能混合材料。
將輔助光學結(jié)構(gòu)2放置在環(huán)狀軸錐體/中間光學裝置I內(nèi)產(chǎn)生了控制輻射進入到環(huán)狀光學裝置100中的傳播的角度傳播限制。超過全內(nèi)反射(TIR)條件的輻射被允許穿過輔助光學結(jié)構(gòu)2并傳播到環(huán)狀軸錐體中。這在圖4中由光線5f示出。然而，僅由于TIR被反射的輻射傳播到輔助光學結(jié)構(gòu)2內(nèi)，即僅允許輔助光學結(jié)構(gòu)2內(nèi)的輻射基于輻射到輔助光學結(jié)構(gòu)2的光學表面的入射角出射。
輔助光學結(jié)構(gòu)2由使得以相對較小角度入射在輔助光學結(jié)構(gòu)2的壁上的輻射將被內(nèi)反射、折射或以其它方式改變方向的材料形成。這由圖4中的光線5c和5d示出。如果入射角小于預定的入射閾值，那么散射輻射將被輔助光學結(jié)構(gòu)2內(nèi)部地改變方向，且不能穿入到環(huán)狀中間光學裝置I中。
輔助光學結(jié)構(gòu)2定位在環(huán)11中，使得環(huán)狀中間光學裝置I的焦線7定位在輔助光學結(jié)構(gòu)2內(nèi)，因此定位在容納在輔助光學結(jié)構(gòu)2中的樣本3內(nèi)。光束5 (或適合的電磁福射的其它束)可以沿著環(huán)狀中間光學裝置I的旋轉(zhuǎn)軸線A基本上沿著焦線7被投射。測量體積由焦線7的弦長和光束5的橫截面面積來限定。因此，在焦線7的區(qū)域中由樣本3散射的輻射可能離開輔助光學結(jié)構(gòu)2并進入環(huán)狀中間光學裝置I (參見光線5f)。在環(huán)狀中間光學裝置I中接收到的散射輻射基本上從環(huán)狀中間光學裝置I的焦線7徑向發(fā)散，而與入射電磁輻射與旋轉(zhuǎn)軸線A的角度間隔無關(guān)。然而，輔助光學結(jié)構(gòu)2限制被散射的輻射，并且不允許所有被散射的輻射進入環(huán)狀中間光學裝置I。
如果被散射的輻射的入射角超過預定的入射閾值，那么允許在輔助光學結(jié)構(gòu)2和環(huán)狀中間光學裝置I的環(huán)11內(nèi)被散射的輻射借助于輔助光學結(jié)構(gòu)2進入到環(huán)狀中間光學裝置I中。環(huán)狀中間光學裝置I改變被散射的輻射的方向以包括基本上平行于旋轉(zhuǎn)軸線A和基本上與入射的電磁輻射方向相反的被改變方向的輻射。環(huán)狀中間光學裝置可以被優(yōu)選地定位，以便改變散射輻射的方向基本上平行于旋轉(zhuǎn)軸線A和基本上與入射的電磁輻射同方向。
因此，以相對較高的角度(即基本上徑向地)入射到輔助光學結(jié)構(gòu)2的壁上的被散射的輻射將不會被內(nèi)部地改變方向并將從輔助光學結(jié)構(gòu)2出射。因此，被散射的輻射必須被基本上徑向地且基本上垂直地散射，即，以從入射電磁輻射的方向的大角度散射。另夕卜，如果被散射的輻射在環(huán)狀中間光學裝置I的環(huán)11內(nèi)，那么被散射的輻射將通過環(huán)狀中間光學裝置I被改變方向。在一些實施例中，被散的射輻射必須在由焦線7表示的范圍(span)內(nèi)散射。改變方向的輻射從環(huán)狀中間光學裝置I的平面環(huán)狀光學表面Id出射。結(jié)果，改變方向的輻射將被基本上平行于旋轉(zhuǎn)軸線A被引導。改變方向的輻射可以基本上與原始的進入輻射的方向相反。改變方向的輻射可以包括大致平面波前。
在環(huán)11或焦線7的外面的徑向散射的輻射將不會進入到環(huán)狀中間光學裝置I中。在環(huán)11或焦線7的外面的徑向散射的輻射將不通過環(huán)狀中間光學裝置I被改變方向。如果被散射的輻射的入射角小于預定的入射閾值，那么被散射的輻射將通過輔助光學結(jié)構(gòu)2內(nèi)部地改變方向，且不能穿入到環(huán)狀中間光學裝置中。
類似地，即使被散射的輻射的入射角超過預定的入射閾值，但是被散射的輻射被在環(huán)狀中間光學裝置I前面的所述區(qū)域(諸如輻射阻擋結(jié)構(gòu)4中的區(qū)域)中的樣本散射，那么仍然可以防止被散射的輻射離開輔助光學結(jié)構(gòu)2。光線5g傳播超過環(huán)形光學結(jié)構(gòu)且穿過輔助光學結(jié)構(gòu)2，并且不對感興趣的可測量的光學信號做出貢獻。光線5g不產(chǎn)生光學噪聲，且光線5g被認為是損失掉了。
環(huán)狀光學裝置100可以進一步包括如圖所示的定位在輔助光學結(jié)構(gòu)2的至少一部分之上或并入到該部分中的輻射阻擋結(jié)構(gòu)4，其中輻射阻擋結(jié)構(gòu)4在被散射的輻射遇到環(huán)狀中間光學裝置I之前阻擋被散射的輻射，因此防止這樣的被散射的輻射離開輔助光學結(jié)構(gòu)2。輻射阻擋結(jié)構(gòu)4可以由任何輻射吸收材料形成。輻射阻擋結(jié)構(gòu)4可以由任何適合的輻射反射材料形成。輻射阻擋結(jié)構(gòu)4可以由任何適合的不透射輻射的材料形成。
如圖所示，輻射阻擋結(jié)構(gòu)4可以被形成為以便裝配在輔助光學結(jié)構(gòu)2的至少一部分之上。在一些實施例中，輻射阻擋結(jié)構(gòu)4可以至少部分地從環(huán)狀中間光學裝置I的平面環(huán)狀光學表面Id延伸出。結(jié)果，被基本上徑向地散射但是在環(huán)11之前的輻射被阻擋以防止離開輔助光學結(jié)構(gòu)2。結(jié)果，因此所述被散射的輻射被阻擋以防止進入到環(huán)狀中間光學裝置I的平面環(huán)狀光學表面Id中。包括輻射吸收介質(zhì)的輻射阻擋結(jié)構(gòu)4定位在環(huán)狀中間光學裝置I的焦點之外。
另外，輻射阻擋結(jié)構(gòu)4可以提供定位功能。輻射阻擋結(jié)構(gòu)4可以基本上使輔助光學結(jié)構(gòu)2在環(huán)狀中間光學裝置I的環(huán)11內(nèi)居中。輻射阻擋結(jié)構(gòu)4可以在環(huán)狀中間光學裝置I和輔助光學結(jié)構(gòu)2之間產(chǎn)生期望尺寸和均勻性的介質(zhì)12。
圖2是圖1的環(huán)狀光學裝置100的端視圖。從該視圖可見，環(huán)狀中間光學裝置1、輔助光學結(jié)構(gòu)2以及輻射阻擋結(jié)構(gòu)4可以基本上是同軸的。在一些實施例中，輻射阻擋結(jié)構(gòu)4使輔助光學結(jié)構(gòu)2基本上同軸地定位在環(huán)狀中間光學裝置I的環(huán)11內(nèi)。輻射阻擋結(jié)構(gòu)4通過使輔助光學結(jié)構(gòu)2在環(huán)狀中間光學裝置的環(huán)內(nèi)居中而防止輔助光學結(jié)構(gòu)2的外表面與環(huán)狀中間光學裝置I直接接觸。
圖3是環(huán)狀光學裝置100的側(cè)視圖。在該附圖中，顯示出光束5(或其它輻射)進入到輔助光學結(jié)構(gòu)2的封閉端2c中。在本實施例中，輔助光學結(jié)構(gòu)2從環(huán)狀中間光學裝置I的任一側(cè)延伸，但是應當理解，環(huán)狀光學裝置100可以形成為其它配置并形成有其它尺寸。輻射阻擋結(jié)構(gòu)4位于輔助光學結(jié)構(gòu)2上且在環(huán)狀中間光學裝置I前面的一側(cè)，即在光束5源和環(huán)狀中間光學裝置I之間。
圖4是環(huán)狀光學裝置100的沿著旋轉(zhuǎn)軸線A的剖視圖AA。在該剖視圖中顯示出大致中空形狀的輔助光學結(jié)構(gòu)2。環(huán)狀中間光學裝置I和該環(huán)狀中間光學裝置I內(nèi)的環(huán)11的實心形狀在該剖視圖中示出。在該剖視圖中顯示出該實施例的大致五邊形橫截面形狀的環(huán)狀中間光學裝置I。
可以看到的是，介質(zhì)12存在于環(huán)狀中間光學裝置I和輔助光學結(jié)構(gòu)2之間，具體地在輔助光學結(jié)構(gòu)2的壁2b的外面。介質(zhì)12可以在一些實施例中包括空氣介質(zhì)。介質(zhì)12在由空氣構(gòu)成時將具有小于輔助光學結(jié)構(gòu)2的壁2b的折射率(即輔助光學結(jié)構(gòu)折射率)的介質(zhì)折射率。然而，應當理解，介質(zhì)12可以由具有低于輔助光學結(jié)構(gòu)2的壁2b的折射率的折射率的任何合適的材料構(gòu)成。由于介質(zhì)12的折射率較低，在輔助光學結(jié)構(gòu)2的壁2b和介質(zhì)12之間存在使得被散射的輻射被輔助光學結(jié)構(gòu)2折射、反射或以其他方式內(nèi)部地改變方向的邊界。如果被散的射輻射具有小于預定入射閾值的入射角，那么被散射的輻射將被改變方向并保持在輔助光學結(jié)構(gòu)2內(nèi)。如果被散射的輻射以大于預定的入射閾值的入射角遇到所述邊界，那么被散射的輻射將不會被改變方向且將通過壁2b從輔助光學結(jié)構(gòu)2出射。這種高入射角的被散射的輻射將在關(guān)于輔助光學結(jié)構(gòu)2和環(huán)狀中間光學裝置I的方向上基本上是徑向的。
輔助光學結(jié)構(gòu)2可以由一種或多種適合的材料形成。輔助光學結(jié)構(gòu)2可以對于入射輻射是完全透射的，或可以包括在對其他輻射吸收結(jié)構(gòu)內(nèi)可使輻射透射或半透射的窗口或區(qū)域。輔助光學結(jié)構(gòu)2可以包括圍繞環(huán)狀中間光學裝置I的焦線7的至少一個可透射輻射區(qū)域。輔助光學結(jié)構(gòu)2可以包括可透射輻射的封閉端2c，其配置成允許入射電磁輻射進入?？赏干漭椛鋮^(qū)域可以是不同的材料，具有不同的折射率，或具有不同的光學不透明性。輔助光學結(jié)構(gòu)2顯示為包括大致圓柱形的容器。然而，輔助光學結(jié)構(gòu)2可以根據(jù)期望由其它形狀形成。
環(huán)狀中間光學裝置I和輔助光學結(jié)構(gòu)2可以包括設備的通過量化入射輻射的散射來量化樣本3中的顆粒的一部分。在一些實施例中，入射輻射包括可見光或不可見光。然而，還可以采用其它波長的電磁輻射。
環(huán)形光學結(jié)構(gòu)100提供了將來自基本上平面波的輻射會聚到焦線上的用途。相反地，環(huán)形光學結(jié)構(gòu)100能夠?qū)⑤椛涞膹较虬l(fā)散的線性部分準直到基本上平面波，同時有利地限制與所述光學結(jié)構(gòu)的主要光線路徑不相關(guān)的輻射量從角度光學布置100傳播出去。
圖示的實施例的環(huán)狀中間光學裝置I包括實心環(huán)狀中間光學裝置I。中間光學裝置優(yōu)選地為圍繞旋轉(zhuǎn)軸線A的旋轉(zhuǎn)實體。橫截面形狀優(yōu)選地位五邊形，其形成平行于旋轉(zhuǎn)軸線的圓柱形光學表面Ia和基本上垂直于旋轉(zhuǎn)軸線的平面環(huán)狀光學表面Id。平面環(huán)狀光學表面Id的內(nèi)環(huán)與圓柱形光學表面Ia重合。光學表面Ib和Ic關(guān)于旋轉(zhuǎn)軸線A為大致圓錐形，且會聚至距離旋轉(zhuǎn)軸線一徑向距離處的圓形交點。圓錐形光學表面Ib和Ic優(yōu)選地被涂覆以反射入射到內(nèi)光學表面上的輻射。另外，圓錐形光學表面Ib與平面環(huán)狀光學表面Id的外環(huán)重合，圓錐形光學表面Ic與圓柱形光學表面Ia的與平面環(huán)狀光學表面Id相對的端部重合。非光學圓錐形表面Ie以沿旋轉(zhuǎn)軸線的不小于圓柱形光學表面Ia的長度的弦長終止圓錐形光學表面Ib和Ic的會聚，以便于在不需要對環(huán)狀光學結(jié)構(gòu)進行虛光照(vignette)的情況下降低制造成本和中間光學元件的脆性。非光學圓錐形表面Ie優(yōu)選地相對于旋轉(zhuǎn)軸線以大約45°傾斜。圓錐形光學表面Ib和Ic相對于旋轉(zhuǎn)軸線傾斜，以便使從焦線7基本上垂直地徑向發(fā)散的輻射發(fā)射或改變方向以基本上平行于焦線7。相反地，環(huán)狀中間光學裝置I可以使基本上平行于焦線7行進的輻射改變方向以在圓柱形光學表面Ia的區(qū)域中基本上徑向地射在焦線7上。
如所述的具有五邊形橫截面的環(huán)形旋轉(zhuǎn)體的環(huán)狀中間光學裝置將電磁輻射的平面波會聚到焦線7以基本上垂直于平面波傳播，或?qū)慕咕€7徑向發(fā)散的被發(fā)射的光學輻射準直成基本上垂直于徑向發(fā)射，而與環(huán)形五邊形中間光學裝置旋轉(zhuǎn)軸線與焦線7對準的適度誤差無關(guān)，與諸如例如幾度對準度的適度誤差無關(guān)。
應當注意到，環(huán)狀中間光學裝置I不需要是實體結(jié)構(gòu)，也不需要是五邊形橫截面形狀。事實上，由第一表面反射、折射或衍射表面構(gòu)成的其他二次曲線表面可以用于構(gòu)造焦線7基本上與中間光學裝置的旋轉(zhuǎn)軸線大致重合的環(huán)狀中間光學裝置。
除顯示的部件和結(jié)構(gòu)之外，任何樣式的另外的透鏡、部件和/或表面可以被包含以用于引導、準直、分散、聚集、聚焦、放大和/或縮小輻射。另外的部件可以定位在環(huán)狀光學裝置100的前面或后面。例如，環(huán)狀光學裝置100可以包括靠近輔助光學結(jié)構(gòu)2的光源或輻射源，所述輻射源被配置成將輻射引導到輔助光學結(jié)構(gòu)2中。另外，輻射檢測器可以定位成靠近環(huán)狀中間光學裝置I的平面環(huán)狀光學表面ld，用于接收和量化被環(huán)狀中間光學裝置I改變方向且從平面環(huán)狀光學表面Id射出的輻射。
對于那些具有光學、物理學、或電磁理論的技術(shù)人員明顯的是光學輻射的平面或球形傳播波可以被吸收元件、折射元件、衍射元件和反射元件單獨操控，或與環(huán)狀光學裝置協(xié)作來操控，用于準直、放大、減小、分散、聚集或聚焦所述輻射。
優(yōu)選實施例的實體環(huán)狀中間光學裝置的基板材料可以是可透射感興趣的輻射的任何材料。例如，在可見電磁光譜中，入射輻射可以包括在大約380納米(nm)至780nm之間的電磁輻射，即由國際照明委員會(CIE)定義的可見光?；宀牧峡梢允切ぬ夭Ａ-BAK4、N-BK7、PMMA、或任何其他光學透射性材料。另外，在圓錐形光學表面Ib和Ic上的反射涂層可以是金、銀、鋁或在可見光譜中具有反射性的任何其他材料。另外，非光學圓錐形表面Ie可以涂覆有諸如黑漆的光吸收材料。光學表面Ia和Id可以不被涂覆或可以被涂覆，以減小感興趣波長處的反射損耗。對于可見波長范圍內(nèi)的應用，抗反射涂層(一個或多個)可以是被施加至可透射光學表面Ia和Id的大約四分之一波長厚度的氟化鎂(MgF2)。
在一種示例中，假設波長為0.5875618微米(μ m)(即夫瑯合費(Fraunhofer) ‘d’氦發(fā)射波長)的光束5在折射率為1.0000的周圍介質(zhì)(例如空氣)中沿著焦線7在使得光束進入折射率為1.5168的玻璃瓶的平面表面、進入折射率為1.3330的樣本中、以及進入到也在周圍介質(zhì)中的所述瓶的外表面2b中。依據(jù)斯涅耳折射定律，如果當從圓柱形表面的旋轉(zhuǎn)軸線的法線或垂直于該旋轉(zhuǎn)軸線測量(例如沿著光線5c和5d)時至所述瓶的內(nèi)壁2a的入射角大于或等于大約48.6度，那么由于散射或其它光學現(xiàn)象光束5的任何改變方向?qū)е?TIR0
圖5顯示根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的環(huán)狀光學裝置100。在該實施例中，環(huán)狀中間光學裝置9包括大致三角形的旋轉(zhuǎn)截面，具體地顯示出直角三角形旋轉(zhuǎn)體。本實施例的三角形環(huán)狀中間光學裝置9有利地必須制造一個較不光學的表面，以較短的光線路徑為特征，并且需要較少的材料。輔助光學結(jié)構(gòu)2沿著環(huán)狀中間光學裝置9的環(huán)的旋轉(zhuǎn)軸線。輔助光學結(jié)構(gòu)2和樣本3與三角形環(huán)狀中間光學裝置9同軸。關(guān)于福射束5和光線5a、5b、5c、5d、5e、5f和5g的傳播的論述同樣適用于本實施例。
圖6是圖5的環(huán)狀光學裝置100的截面視圖BB。在圖中，三角形環(huán)狀中間光學裝置9的圓錐形光學表面9b相對于旋轉(zhuǎn)軸線A傾斜，以便反射基本上垂直地從焦線7徑向地發(fā)散的任何輻射。圓錐形光學表面％將輻射的方向改變成沿著大致平行于焦線7的方向。圓柱形光學表面9a和平面環(huán)狀光學表面9c的內(nèi)環(huán)在圓柱形光學表面9a的一端處重合。圓錐形光學表面％與平面環(huán)狀光學表面9c的外環(huán)重合，在圓柱形光學表面9a的與平面環(huán)狀光學表面9c相對的一端處與圓柱形光學表面9a重合。如在其他實施例中，圓錐形光學表面％可以被涂覆，以反射入射輻射。光學表面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興趣波長處的反射損耗。
所公開的環(huán)狀光學裝置不限于此處呈現(xiàn)的示例?？梢允褂冒ㄒ粋€或多個圓錐形光學表面的環(huán)狀中間光學裝置?？梢允褂镁哂袃?nèi)反射表面(一個或多個)或外反射表面(一個或多個)的環(huán)狀中間光學裝置。進一步理解到，可以使用多個徑向分段的平面表面，由近似的圓錐形光學表面來形成環(huán)狀光學裝置。另外，旋轉(zhuǎn)表面的截面曲率(一個或多個)的變化還可以通過將所公開的光學表面中的一個或多個修改成為大致球形、橢圓形、拋物線形或雙曲線形的光學表面來實現(xiàn)。
可以發(fā)現(xiàn)環(huán)狀光學裝置100用于例如熒光計、流式細胞儀、照射器、激光光學裝置、電磁集中器、流量量測儀、懸液計測量術(shù)以及顆粒分析領域中。然而，該列表不是窮盡的。應當理解，其它用途被設想且落入到所述說明書和權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
上文實施例的詳細描述不是發(fā)明人所設想的所有實施例的在本發(fā)明的范圍內(nèi)的窮盡性描述。事實上，本領域技術(shù)人員將認識到上述實施例的特定元件可以以各種方式組合或被消除以形成另外的實施例，這樣的另外的實施例落入到本發(fā)明的范圍和教導內(nèi)。本領域普通技術(shù)人員還將明白，上述實施例可以被整體上或部分地組合，以形成在本發(fā)明的范圍和教導內(nèi)的額外的實施例。因此，應當依據(jù)下述的權(quán)利要求書來確定本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種環(huán)狀光學裝置(100)，包括: 環(huán)狀中間光學裝置(I)，所述環(huán)狀中間光學裝置包括以旋轉(zhuǎn)軸線㈧為中心的環(huán)(11)；和 輔助光學結(jié)構(gòu)(2)，所述輔助光學結(jié)構(gòu)基本上同軸地位于環(huán)狀中間光學裝置(I)的環(huán)(11)內(nèi)，其中輔助光學結(jié)構(gòu)(2)和環(huán)狀中間光學裝置(I)被具有低于輔助光學結(jié)構(gòu)的折射率的介質(zhì)折射率的介質(zhì)(12)分隔開，輔助光學結(jié)構(gòu)(2)配置成保持樣本以被基本上沿著旋轉(zhuǎn)軸線(A)引導到輔助光學結(jié)構(gòu)(2)中的入射電磁輻射照射，其中來自輔助光學結(jié)構(gòu)(2)且在環(huán)狀中間光學裝置(I)的環(huán)(11)內(nèi)的被散射的輻射在所述被散射的輻射的入射角超過預定入射閾值的情況下被允許通過輔助光學結(jié)構(gòu)(2)進入到環(huán)狀中間光學裝置(I)中，以及其中環(huán)狀中間光學裝置(I)使被散射的輻射改變方向以包括基本上平行于旋轉(zhuǎn)軸線(A)的被改變方向的輻射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)狀光學裝置(100)，其中，環(huán)狀中間光學裝置(I)中所接收到的被散射的輻射基本上從環(huán)狀中間光學裝置(I)的焦線(7)徑向發(fā)散，而與入射電磁輻射與旋轉(zhuǎn)軸線(A)的角度間隔無關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)狀光學裝置(100)，其中，所述被散射的輻射被環(huán)狀中間光學裝置(I)接收并基本上沿著旋轉(zhuǎn)軸線(A)被改變方向，其中被改變方向的輻射從環(huán)狀中間光學裝置(I)的平面環(huán)狀光學表面(Id)出射。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)狀光學裝置(100)，其中，在入射角小于預定入射閾值的情況下，被散射的輻射被輔助光學結(jié)構(gòu)(2)內(nèi)部地改變方向，且不能穿入到環(huán)狀中間光學裝置⑴中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的 環(huán)狀光學裝置(100)，其中，輔助光學結(jié)構(gòu)(2)包括能透射輻射的封閉端(2c)，所述封閉端配置成允許所述入射電磁輻射進入。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)狀光學裝置(100)，其中，輔助光學結(jié)構(gòu)(2)包括圍繞環(huán)狀中間光學裝置(I)的焦線(7)的至少一個能透射輻射的區(qū)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)狀光學裝置(100)，還包括輻射阻擋結(jié)構(gòu)(4)，所述輻射阻擋結(jié)構(gòu)定位在輔助光學結(jié)構(gòu)(2)的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，其中所述輻射阻擋結(jié)構(gòu)(4)防止輻射離開輔助光學結(jié)構(gòu)(2)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)狀光學裝置(100)，還包括輻射阻擋結(jié)構(gòu)(4)，所述輻射阻擋結(jié)構(gòu)定位在輔助光學結(jié)構(gòu)(2)的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，并且至少部分地從環(huán)狀中間光學裝置(I)的平面環(huán)狀光學表面(Id)延伸出來。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)狀光學裝置(100)，還包括輻射阻擋結(jié)構(gòu)(4)，所述輻射阻擋結(jié)構(gòu)定位在輔助光學結(jié)構(gòu)(2)的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，并且使輔助光學裝置⑵在環(huán)狀中間光學裝置⑴的環(huán)(11)內(nèi)基本上居中。
10.一種形成環(huán)狀光學裝置的方法，所述方法包括以下步驟: 設置環(huán)狀中間光學裝置，所述環(huán)狀中間光學裝置包括以旋轉(zhuǎn)軸線為中心的環(huán)；和 設置輔助光學結(jié)構(gòu)，所述輔助光學結(jié)構(gòu)基本上同軸地位于所述環(huán)狀中間光學裝置的環(huán)內(nèi)，其中所述輔助光學結(jié)構(gòu)和所述環(huán)狀中間光學裝置被具有低于輔助光學結(jié)構(gòu)的折射率的介質(zhì)折射率的介質(zhì)分隔開，輔助光學結(jié)構(gòu)配置成保持樣本以被基本上沿著旋轉(zhuǎn)軸線引導到輔助光學結(jié)構(gòu)中的入射電磁輻射照射，其中來自輔助光學結(jié)構(gòu)且在環(huán)狀中間光學裝置的環(huán)內(nèi)的被散射的輻射在所述被散射的輻射的入射角超過預定入射閾值的情況下被允許通過輔助光學結(jié)構(gòu)進入到環(huán)狀中間光學裝置中，以及其中環(huán)狀中間光學裝置使被散射的輻射改變方向以包括基本上平行于旋轉(zhuǎn)軸線的被改變方向的輻射。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，環(huán)狀中間光學裝置中所接收到的被散射的輻射基本上從環(huán)狀中間光學裝置的焦線徑向發(fā)散，而與入射電磁輻射與旋轉(zhuǎn)軸線的角度間隔無關(guān)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述被散射的輻射被環(huán)狀中間光學裝置接收并基本上沿著旋轉(zhuǎn)軸線被改變方向，其中被改變方向的輻射從環(huán)狀中間光學裝置的平面環(huán)狀光學表面出射。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，在入射角小于預定入射閾值的情況下，被散射的輻射被輔助光學結(jié)構(gòu)內(nèi)部地改變方向，且不能穿入到環(huán)狀中間光學裝置中。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，輔助光學結(jié)構(gòu)包括能透射輻射的封閉端(2c)，所述封閉端配置成允許所述入射電磁輻射進入。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，輔助光學結(jié)構(gòu)包括圍繞環(huán)狀中間光學裝置的焦線的至少一個能透射 輻射的區(qū)域。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括以下步驟: 設置輻射吸收結(jié)構(gòu)，所述輻射吸收結(jié)構(gòu)定位在輔助光學結(jié)構(gòu)的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，其中所述輻射阻擋結(jié)構(gòu)防止輻射離開輔助光學結(jié)構(gòu)。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括以下步驟: 設置輻射吸收結(jié)構(gòu)，所述輻射吸收結(jié)構(gòu)定位在輔助光學結(jié)構(gòu)的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，并且至少部分地從環(huán)狀中間光學裝置的平面環(huán)狀光學表面延伸出來。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括以下步驟: 設置輻射吸收結(jié)構(gòu)，所述輻射吸收結(jié)構(gòu)定位在輔助光學結(jié)構(gòu)的至少一部分之上或并入到所述至少一部分中，并且使輔助光學裝置(2)在環(huán)狀中間光學裝置(I)的環(huán)(11)內(nèi)基本上居中。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種環(huán)狀光學裝置(100)，包括包括以旋轉(zhuǎn)軸線(A)為中心的環(huán)(11)的環(huán)狀中間光學裝置(1)；和基本上同軸地位于環(huán)(11)內(nèi)的輔助光學結(jié)構(gòu)(2)。輔助光學結(jié)構(gòu)(2)和環(huán)狀中間光學裝置(1)被具有低于輔助光學結(jié)構(gòu)的折射率的介質(zhì)折射率的介質(zhì)(12)分隔開。輔助光學結(jié)構(gòu)(2)保持樣本以被入射電磁輻射照射。來自輔助光學結(jié)構(gòu)(2)且在環(huán)狀中間光學裝置(1)的環(huán)(11)內(nèi)的被散射的輻射在所述被散射的輻射的入射角超過預定入射閾值的情況下被允許進入到環(huán)狀中間光學裝置(1)中。環(huán)狀中間光學裝置(1)使被散射的輻射改變方向以包括基本上平行于旋轉(zhuǎn)軸線(A)的被改變方向的輻射。
文檔編號G01N21/47GK103140748SQ201180038816
公開日2013年6月5日 申請日期2011年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月6日
發(fā)明者佩里·A·帕倫博 申請人:哈希公司