CN102292661A - 透镜和反射镜组合以及应用其的光学设备 - Google Patents

Abstract

一种用于光学测量的透镜和反射镜单元，包括所述透镜和反射镜单元的第一和第二凸表面部分。第一和第二凸表面部分各自具有中心法线。第一平坦表面部分的法线方向将中心法线之间的夹角平分成两部分。第三凸表面部分具有第三中心法线，所述第四凸表面部分具有第四中心法线。第二平坦表面部分的法线方向将第三和第四中心法线之间的夹角平分成两部分。

Description

透镜和反射镜组合以及应用其的光学设备

技术领域

本发明涉及用于控制光辐射束的传播路径的透镜和反射镜单元，例如用在光学测量装置中。光学测量可以例如但不是必须为吸收测量、光致发光测量或化学发光测量。另外，本发明涉及一种包括所述类型的透镜和反射镜单元的光学设备。

背景技术

改变光辐射束的传播路径是很多种光学应用中的基本操作。例如，我们可以设想这样的操作，从点状光源发出的光必须被准直，然后反射到一个角度，并聚焦到所述点状光源的像上。在点状光源发出的入射光被导向样品并测量和分析在样品中产生的出射光的测量装置中，经常会遇到这种操作。在一些应用中，相应的操作只发生在以下这些方向中的一个方向的处理中，即入射光或光出射光。

图1示意性地示出了一种现有技术，其中光源模块101包括一基本为点状的光源(未独立示出)。发射出来的光在空间上受限，因此从光源模块101发出的基本上为圆锥形光束。将第一凸透镜102(或平凸透镜，如图1中所示)用作准直器，其将发散的、圆锥形光束变换成圆柱形准直光束。反射镜103将圆柱形光束反射到另一方向。入射光束的传播方向和反射光束的传播方向之间的角度104被称作反射角。此处反射角为90度，但是也可以为其他角度。反射光束透过第二凸透镜105，该凸透镜105使光束聚焦到成像装置106的目标上，之所以叫做成像模块是因为如果聚焦准确的话能够在成像模块106处获得光源的图像。

图1所示的现有技术中的缺点是光在光路上必须遇到的光学材料/外围材料界面的数量相对较多。即使在质量很高的透镜中，也会因为透镜和其周围物质之间的界面反射而产生光损耗。透镜和反射镜中还会发生其他的光学效应，例如散射，它们都会降低传播的光的量。对于具有多个分立的需要精确固定并对准的光学元件的结构，对该结构的粗操作较为敏感也是一个缺点。

图2示出了另一现有技术中的排布，其中玻璃/空气界面的数量与图1中的数量相比有所减少。与图1的区别在于，在光源模块101和反射镜103之间只使用一个凸透镜202。选择凸透镜202的焦距，使得光源的像被聚焦到成像模块106上。这种办法的缺点包括增大了光源模块101和透镜202之间的所需距离。鉴于内部全反射对应于反射系数1，反射镜表面的反射系数也比图1显著降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学元件和光学测量设备，光在其中的传播被控制为具有较少数目的相关玻璃/空气界面。

本发明的另一目的在于提供一种光学元件和光学测量设备，该设备具有紧凑、坚固的结构。

本发明的又一目的在于减轻现有解决方案中的缺点。

根据本发明的第一方面，提供一种用于光学测量的透镜和反射镜单元，其包括：

-所述透镜和反射镜单元的第一凸表面部分，所述第一凸表面部分具有第一中心法线，

-所述透镜和反射镜单元的第二凸表面部分，所述第二凸表面部分具有第二中心法线方向，

-所述透镜和反射镜单元的第一平坦表面部分，所述第一平坦表面部分的法线方向将所述第一和第二中心法线之间的夹角平分；

以及其特征在于透镜和反射镜单元包括：

-所述透镜和反射镜单元的第三凸表面部分，所述第三凸表面部分具有第三中心法线，

-所述透镜和反射镜单元的第四凸表面部分，所述第四凸表面部分具有第四中心法线，以及

-所述透镜和反射镜单元的第二平坦表面部分，所述第二平坦表面的法线方向将所述第三和第四中心法线之间的夹角平分成两部分。

根据本发明的第二个方面，提供一种用于实现出射光分析的设备，该设备包括：

-光源，

-样品托，以及

-探测器，

其特征在于该设备包括上述类型的透镜和反射镜单元。在所附的从属权利要求中描述了本发明的多种示例性实施例。

联系附图阅读，通过具体示例性实施例的表述，可很好地理解本发明的实施例的作为结构和操作方法的各种例子以及其附加的优点。

在本申请文件中，动词“包括”用作开放性限定，其不排除不可预测的特征的存在。从属权利要求中描述的特征可相互自由组合，除非其他的特别说明。

附图说明

现在通过示例并参考附图，详细解释本发明示例性实施例及其优点，其中：

图1示出了根据现有技术的模块；

图2示出了另一根据现有技术的模块；

图3示出了半球形透镜的原理；

图4示出了图3所示的半球形透镜的细节；

图5示出了本发明的实施例的一些概念；

图6示出了用于实现出射光分析的设备；

图7示出了另一种用于实现出射光分析的设备；

图8示出了图7中所示设备中的入射光的传播；

图9示出了图7中所示设备中的出射光的传播；

图10示出了图7中所示设备中的入射光和出射光；

图11示出了另一种用于实现出射光分析的设备；

图12示出了又一种用于实现出射光分析的设备；

图13示出了透镜和反射镜单元中的光的非准直传播；以及

图14示出了具有非球面凸表面部分的透镜和反射镜单元。

具体实施方式

图1和图2已经在背景技术的描述中讨论过。

图3示出了一种情况，其中光源模块101和成像模块106可类似于现有技术中已知的相应模块。在光的传播路径的中部为半球形透镜，其分界表面包括椭圆体表面301和平坦表面302。椭圆体表面301可被替代为(半)球形表面(实际上为椭圆体表面的特殊情况)或非椭圆的非球面弯曲表面。光源模块101发出的发散的圆锥形光束通过第一凸表面部分进入半球形透镜，该第一凸表面部分构成椭圆体表面301的一部分。这种几何结构使得初始的圆锥形光束被准直成具有确切的传播方向的光束。该准直光束在半球形透镜中传播到平坦表面302，该平坦表面可作为反射镜并将光反射形成反射角104。在该具体示例中，反射角104也可以为基本上90度，但是这仅仅为一个示例，并且也不将本文中描述的本发明的适用性限定于其它大小的反射角。根据光学参数和材料特性，平坦表面上的反射可为内部全反射或辅助反射，在辅助反射中，平坦表面302(没有单独示出)上的反射性涂层充当反射角色。

因为反射发生在平坦表面上，因此反射光束仍然为具有确切的传播方向的准直光束。该准直光束通过第二凸表面部分从半球形透镜出射，该第二凸表面部分构成椭圆体表面301的一部分。该几何结构使得准直光束被聚焦成会聚的圆锥形光束，该圆锥形光束聚焦到成像模块106的焦点(未独立示出)上。能够容易地看到，在光源模块101和成像模块106之间，仅有两个光必须穿过的空气-玻璃或玻璃-空气界面。

例如通过美国专利公开US5,682,449可获知这种半球形透镜。图4示出了第一凸表面部分的椭圆体部(光束在该处遇到表面)是如何覆盖半球形透镜的一部分401的。作为部分401的假想表面，而不是分界表面，我们可以认为一个平面沿不小于且不进入光束外圆周的曲线切割半球形透镜的椭圆体表面。可容易地看到，部分401就像是常规的平凸透镜。该平凸透镜和半球形透镜的其余内部部分之间的假想界面为平面，该平面的两侧具有实质上相同的折射率，因此不会影响半球形透镜内部的光的传播。因此，当为了某特殊目的而设计基本半球形透镜的具体形式时，应充分考虑透镜材料的光学参数和光束遇到所述椭圆体表面处的那部分椭圆体表面的几何性质。由于类似平凸透镜，本领域技术人员能够设计出具有必要的准直和/或聚焦特性的半球形透镜。

图5示详细地示出了某一构想，其有利于理解本发明的实施例。为了改变光辐射束的传播路径，使用了由对光辐射透明的材料制成的透镜和反射镜单元501。透镜和反射镜单元501的第一凸表面部分502具有第一中心法线503，其可被成为第一凸表面部分502的光轴。透镜和反射镜单元501的第二凸表面部分504具有第二中心法线505，其可被成为第二凸表面部分504的光轴。

透镜和反射镜单元501的另一个分界表面包括第一平坦表面部分506。在第一中心法线503和第二中心法线505与由第一平坦表面部分506限定的平面的交点处，第一平坦表面部分506的垂直方向507平分第一中心法线503和第二中心法线505之间的夹角。在该实施例中，透镜和反射镜单元501为单个透明体。第一凸表面部分、第二凸表面部分和第一平坦表面部分为该透明体的表面部分。另外，第一和第二凸表面部分为公共的球形或非球面曲线表面部分的两部分，其界定所述透明体，这意味着透明体的球形或非球面曲线分界表面从第一凸表面部分到第二凸表面部分是平滑连续的。

在测量设备的应用中，一般不仅需要使来自点光源的入射光导向到样片上的第一焦点，而且还需要收集来自样品的出射光，并使其会聚到第二焦点以在此处被提取以供分析。图6示出了一种模块，在该模块中两束传播的光穿过像图5所示的透镜和反射镜单元501。该模块为用于完成光发射分析的示例性设备的示意图。其包括光源601、样品托602和探测器，在该例中，探测器与光源601位于相同的位置。探测器例如可以为辐射探测器或光纤的接收端，光纤被构成为将接收到的光传送到位于设备另一部分的探测器。

光源601被构成为可朝向透镜和反射镜单元501发射入射光束。入射光束的轴与被设计为类似上面图5中所示的第一中心法线503的线相重合。由于前面已经解释过的准直、反射和聚焦效应，样品托602从透镜和反射镜单元501接收到反射的入射光束。所述反射的入射光束的轴与被设计为类似上面图5中所示的第二中心法线505的线相重合。

在该实施例中，入射光在样品中产生的出射光通过与入射光的传播路径相同的传播路径被接收。为了与后续描述的其他实施例保持概念上的连续，我们仍然可以认为发射光束通过第三凸表面部分被导向至透镜和反射镜单元501中，在该实施例中，第三凸表面部分与第二凸表面部分相同。因此其中心法线此处在概念上作为第三中心法线，该中心法线与上述的第二中心法线相重合。仍然是因为所述连续性的原因，我们可以认为探测器被构成为接收从所述透镜和反射镜单元出射的光的反射光，该反射光的光束的轴与第四中心法线相重合，该第四法线与上述第一中心法线相重合。

一般来说，出射光的波长与入射光的波长不同。如果必要的话，可在模块的一个或多个位置使用分色镜，以使入射光不与从样品发出的出射光相混合。

图7示出了根据本发明的另一个实施例的设备，在该设备中，入射光和出射光彻底分离，使得从样品发出的光的传播所沿的路径在空间上不同于从光源到样品的入射光的路径。在该例子中，透镜和反射镜单元包括第一透明体701和第二透明体702，每个透明体具有大致上半球形透镜。根据上述观点，第一凸表面部分、第二凸表面部分和第一平坦表面部分为第一透明体701的表面部分。第三凸表面部分、第四凸表面部分和第二平坦表面部分为第二透明体702的表面部分。

明显的是，图7中的透镜和反射镜单元不必包括机械地分开的两块透明材料。具有其他类似特性的透镜和反射镜单元也可以被制造成单块结构。

界定第一透明体701的表面为平坦底面、椭圆体表面和两个平坦侧表面。上述第一和第二凸表面部分为界定第一透明体的椭圆体表面的两部分。同样地，第二透明体702由平坦底面、椭圆体表面和两个平坦侧表面界定。上述第三和第四凸表面部分为界定第二透明体的椭圆体表面的两部分。同样如上文已经结合图3所解释的，平坦底表面上是否需要反射涂层取决于反射角、光学材料特性和其他合适因素是否能够在平坦底表面上形成自然发生的内部全反射。

为了固定样品，设备包括样品孔703。在概念上，入射光的点状光源位于第一光接口704内，第二光接口705代表成像模块，从样品发出的光被聚集后聚焦到成像模块上。入射光和出射光的光路由光束轴表示，光束轴与第一中心法线706、第二中心法线707(对于入射光)、第三中心法线708和第四中心法线709(对于出射光)相重合。选择反射平坦表面部分的方向，以使得第二中心法线707在点710处与第三中心法线708相交，点710也是由第一透明体的一部分形成的透镜焦点，第一透明体的该部分由第二凸表面部分和在所述第二凸表面部分的外围边缘切割所述第二凸表面部分的(假想)平面所界定。同时，所述点710是由第二透明体的一部分形成的透镜焦点，第二透明体的该部分由第三凸表面部分和在所述第三凸表面部分的外围边缘切割所述第三凸表面部分的(假想)平面所界定。

图8详细地示出了入射光的传播。入射光发散的圆锥形光束从第一光接口704中的光源开始传播，穿过第一凸表面部分801，在第一平坦表面部分802反射，并穿过第二凸表面部分803，从第二凸表面部分803聚焦到样品孔703处的焦点上。

图9详细地示出了出射光的传播。出射光的发散圆锥形光束从样品孔703中的样品开始传播，穿过第三凸表面部分901，在第二平坦表面部分902反射，并穿过第四凸表面部分903，从第四凸表面部分聚焦到第二光接口705处的焦点上。

可同时或不同时地用入射光照射样品以及聚集从样品发出的出射光。图10在单幅图中示出了入射光和出射光的传播。

通过改变第一和第二透明体的方向，能够以类似的原理进行测量，在该测量中，用入射光照射第一样品，同时(或至少用未改变的公用部件的机械关系)会聚并测量从之前被照射的第二样品发出的出射光。假设以其他方式已经完成了对样品的必要激励以触发可探测的光的发射，如果本发明的实施例仅用于会聚出射光，可导致几何上较为类似的解决方案。图11示出了本发明这样的实施例，其中第一和第二透明体稍微分离，以使得之前所述的那些朝向样品的中心法线在焦点处不相交。第一样品孔1101位于透镜产生聚焦入射光的部分的焦点上，同时第二样品孔1102位于透镜会聚从样品发出的光的部分的焦点上。

图12示出了本发明的一个实施例的侧视图，其中只需要单个透明体来实现用于完成出射光分析的所有的半球形透镜的功能。该设备包括光源1201、样品托1202和探测器1203。该设备还包括透镜和反射镜单元1204，其由透明材料制成，并由球形或非球形表面以及两个垂直的平坦表面界定，这两个平坦表面切去球形或非球形表面的四分之一。

透镜和反射镜单元1204的第一凸表面部分具有第一中心法线，其指向光源1201。透镜和反射镜单元1204的第二凸表面部分具有第二中心法线，其指向样品托1202。在概念上限定的透镜和反射镜单元1204的第三凸表面部分实际上与第二凸表面部分相同，因此概念上限定的第三中心法线也指向样品托1202。透镜和反射镜单元1204的第四凸表面部分具有第四中心法线，其指向探测器1203。

平坦表面中的一个构成透镜和反射镜单元的第一平坦表面部分1205。因为光源1201指向左边、样品托1202指向上方、第一平坦表面部分1205成45度角，因此第一平坦表面部分的法线方向将所述第一和第二中心法线平分成两部分。

另一个平坦表面构成透镜和反射镜单元1204的第二平坦表面部分1206。基于与上述类似的考虑，可容易地看到，第二平坦表面部分的法线方向将所述第三和第四中心法线之间的夹角平分成两部分。

阻挡元件1207将从光源1201射向透镜和反射镜单元1204的发散圆锥形光束的上半部分阻挡出去。这使得这部分入射光不会直接穿过透镜和反射镜单元1204到达探测器1203。在这样的有必要防止入射光直接穿过的实施例中，另一种可替代的解决方案是在传播路径的合适的位置处使用分色镜。

本发明不需要使光必须以准直的形式在半球形透镜中传播。图13示出了一个例子，其中透镜和反射镜单元由椭圆体表面1301和平坦表面1302界定。光通过第一凸表面部分进入透镜和反射镜单元，光源101比由所述第一凸表面部分界定的透镜的焦点更加靠近第一凸表面部分。因此，在透镜和反射镜单元内部传播的光束仍然是略微发散的圆锥形光束。在另一替代实施例(此处未示出)中，也可以为收敛的圆锥形光束。如果点状光源沿第一凸表面部分的法线的延长线放置，透镜和反射镜单元内的圆锥形光束的发散或会聚的轴向方向仍然与所述中心法线对准。因此，所有到目前为止关于法线之间的相对方向的考虑都是有效的。

另外，应该注意的是，本发明不排除将非球面透镜形式作为凸表面部分的在光透过的位置界定透镜和反射镜单元的那部分。图14示出了一个例子，其中透镜和反射镜单元1401与之前图5中示出的相类似，但是其利用非球形表面作为第一凸表面部分1402。

图中仅描述了本发明的优选示例。对于本领域技术人员清楚的是，本发明不局限于上述示例，本发明可在后述的权利要求所要求的范围内改变。在从属权利要求里描述了本发明的一些可能的实施例，这些实施例不应理解为将本发明的保护范围限定于此。例如，尽管描述集中在凸表面部分为共有椭圆体或球形表面的一部分的实施例中，但是在甚至完全不规则形状的透明材料块的每个合适位置形成分离的类透镜凸起部分或平坦反射部分也是可以的。但是，共有球形或非球面曲线表面的使用因其全部形式的规则性而在生产上具有一定的优点。

Claims (8)

1.一种用于光学测量的透镜和反射镜单元，包括：

-所述透镜和反射镜单元的第一凸表面部分，所述第一凸表面部分具有第一中心法线，

-所述透镜和反射镜单元的第二凸表面部分，所述第二凸表面部分具有第二中心法线，

-所述透镜和反射镜单元的第一平坦表面部分，所述第一平坦表面部分的法线方向将所述第一和第二中心法线之间的夹角平分成两部分，

其特征在于透镜和反射镜单元包括：

-所述透镜和反射镜单元的第三凸表面部分，所述第三凸表面部分具有第三中心法线，第三中心法线与第二中心法线相交于一点，该点也是由所述第二凸表面部分和沿所述第二凸表面部分的周围边缘切割所述第二凸表面部分的平面所界定的透镜的焦点，同时也是由所述第三凸表面部分和沿所述第三凸表面部分的周围边缘切割所述第三凸表面部分的平面所界定的透镜的焦点，

-所述透镜和反射镜单元的第四凸表面部分，所述第四凸表面部分具有第四中心法线，以及

-所述透镜和反射镜单元的第二平坦表面部分，所述第二平坦表面的法线方向将所述第三和第四中心法线之间的夹角平分成两部分。

2.根据权利要求1所述的透镜和反射镜单元，其特征在于：

-透镜和反射镜单元包括第一透明体和第二透明体，

-所述第一凸表面部分、所述第二凸表面部分和所述第一平坦表面部分为第一透明体的表面部分，以及

-所述第三凸表面部分、所述第四凸表面部分和所述第二平坦表面部分为第二透明体的表面部分。

3.根据权利要求2所述的透镜和反射镜单元，其特征在于：

-所述第一和第二凸表面部分为界定所述第一透明体的共用球形或非球面曲线表面部分的一部分，以及

-所述第三和第四凸表面部分为界定所述第二透明体的共用球形或非球面曲线表面部分的一部分。

4.根据权利要求1所述的透镜和反射镜单元，其特征在于：

-所述第一凸表面部分、所述第二凸表面部分、所述第三凸表面部分、所述第四凸表面部分、所述第一平坦表面部分和所述第二平坦表面部分为单个透明体的表面部分，以及

-所述第二和第三凸表面部分为相同的凸表面部分。

5.用于执行发射光分析的设备，包括：

-光源，

-样品托，以及

-探测器，

其特征在于该设备包括根据权利要求1所述的透镜和反射镜单元。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于：

-光源被构成为朝所述透镜和反射镜单元发射入射光束，所述入射光束的轴与所述第一中心法线相重合，

-样品托被构成为接收从所述透镜和反射镜单元反射的入射光束，所述反射的入射光束的轴与所述第二中心法线相重合，

-样品托被构成为将从样品托中保持的样品中发出的出射光束导向所述透镜和反射镜单元，所述出射光束的轴与所述第三中心法线相重合，以及

-探测器被构成为接收从所述透镜和反射镜单元反射的出射光束，所述反射的出射光束的轴与所述第四中心法线相重合。

7.根据权利要求5或6所述的设备，其特征在于样品托为样品固定装置的一部分，该样品固定装置被构成为可控制地改变该透镜和反射镜单元与多个样品之间的空间位置关系。

8.根据权利要求5至7中任一项权利要求所述的设备，其特征在于：

-该设备包括第一光接口和第二光接口，第一光接口为所述的光源，第二光接口相邻于所述第一光接口，第二光接口为所述的探测器，其形式为辐射探测器或光纤的接收端，该光纤被构成为将所有接收到的传导至位于设备另一部分中的辐射探测器，

-所述透镜和反射镜单元包括第一透明体和相邻于所述第一透明体的第二透明体，

-该设备包括至少一个用于保持样品的样品孔，

-第一透明体被构成为在由所述第一中心法线限定的方向上接收从所述第一光接口发出的光，并在由所述第二中心法线限定的方向上将光导向至所述样品孔中，以及

-第二透明体被构成为在由所述第三中心法线限定的方向上接收从所述第一样品孔发出的光，并在由所述第四中心法线限定的方向上将光导向至所述第二光接口。

Images