ES2250991T3 - Lentes de enfoque variable mediante pequeñas modificaciones de su diametro ecuatorial. - Google Patents
Lentes de enfoque variable mediante pequeñas modificaciones de su diametro ecuatorial.Info
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Abstract
UNA LENTE DE ENFOQUE VARIABLE SE CONSTRUYE INTRODUCIENDOSE PEQUEÑOS CAMBIOS EN EL DIAMETRO ECUATORIAL DE UNA LENTE ELASTICAMENTE DEFORMABLE (102, 202, 302, 402, 502). LA LENTE (102, 202, 302, 402, 502) PUEDE DEFORMARSE POR TENSION RADIAL EJERCIDA EN UN PLANO APROXIMADAMENTE PERPENDICULAR AL EJE OPTICO. LA TENSION RADIAL PUEDE EJERCERSE POR UN APARATO MECANICO QUE ACTUE RADIALMENTE (106) O POR MEDIO DE ANILLOS (206, 306, 406, 506) EMPOTRADOS O FIJADOS EN EL ECUADOR DE LA LENTE, CUYO DIAMETRO PUEDE ALTERARSE POR CALENTAMIENTO, O POR LA CREACION DE CAMPOS ELECTRICOS O MAGNETICOS.
Description
Lentes de enfoque variable mediante pequeñas
modificaciones de su diámetro ecuatorial.
Esta invención se refiere a lentes de enfoque
variable y más en particular a lentes elásticamente deformables
donde la potencia óptica de la lente se puede variar por pequeños
cambios de su diámetro ecuatorial.
Las lentes de enfoque variable y los sistemas de
lentes han llegado a ser usados ampliamente porque proporcionan
soluciones convenientes a problemas que surgen frecuentemente en
óptica aplicada. Los sistemas ópticos que incorporan tales lentes
pueden proporcionar, por ejemplo, una imagen enfocada de objetos a
distancias variables de la lente en un plano de imagen sin cambiar
la distancia entre la lente y el plano de imagen. También se pueden
utilizar en sistemas ópticos que proporcionan ampliación variable
sin cambiar lentes.
Se han ideado varios tipos de lentes de enfoque
variable. Sin embargo, el diseño más ampliamente usado actualmente
en instrumentos ópticos tal como cámaras, telescopios, binoculares y
microscopios es una lente multielementos donde la longitud focal se
varía cambiando la separación interna de uno o varios de los
elementos a lo largo del eje óptico.
Otra clase de lentes de enfoque variable se basa
en cambios de la potencia de refracción de un único elemento de
lente efectuado por cambios de la curvatura de las superficies
refractoras o el índice de refracción del material de lente.
Un tipo de tales lentes de enfoque variable de un
único elemento usa una cámara llena de fluido formada por membranas
flexibles cuya curvatura se puede variar. La Patente de Estados
Unidos 1.269.422, de Gordon, describe lentes de gafa incluyendo un
par de superficies ópticas formadas, por ejemplo, de vidrio fino,
unidas en sus periferias para formar una cámara que se llena de un
líquido transparente. Cada lente está montada en un aro que se puede
hacer menor apretando un tornillo tangente para disminuir la
circunferencia del aro. Se describe que dicho apriete incrementa la
potencia refractora de la lente.
Otro diseño para una lente de enfoque variable
usa una cámara llena de fluido con paredes flexibles donde la
curvatura de las paredes se puede variar regulando la cantidad de
fluido contenido en la cámara. Tales lentes pueden implicar un globo
o vejiga simple hecho de material transparente inflado con un
líquido de un índice de refracción apropiado. También se han ideado
otras estructuras que tienen superficies refractoras flexibles cuya
curvatura se regula variando el volumen y/o la presión de un fluido
dentro del cuerpo de lente. Se describen lentes de este tipo, por
ejemplo, en la Patente de Estados Unidos 3.598.479, de Wright, y la
Patente de Estados Unidos 4.913.536, de
Barnea.
Barnea.
Otras lentes de enfoque variable usan materiales
elásticamente deformables que se deforman por varias estructuras
circundantes para variar la curvatura de las superficies ópticas.
Tales lentes se describen por ejemplo, en la Patente de Estados
Unidos 4.783.155, de Imataki y otros; la Patente de Estados Unidos
4.784.479, de Ikemori; la Patente de Estados Unidos 4.802.746, de
Baba y otros; y la Patente de Estados Unidos 4.859.041, de Suda.
Una lente elásticamente deformable de longitud
focal variable también se describe en la Patente de Estados Unidos
4.444.471, de Ford y otros. Ford describe cambiar la longitud focal
de una lente elastomérica biconvexa estirando radialmente la lente
una cantidad sustancial de manera que se reduzca la curvatura de las
superficies ópticas y por lo tanto también se reduce la potencia de
refracción de la lente. Sin embargo, Ford no describe ni explica los
cambios de potencia óptica que se producen en una lente elastomérica
cuando está radialmente estirada solamente un pequeño porcentaje de
su diámetro.
La Patente de Estados Unidos 4.712.882, de Baba y
otros, describe una lente de enfoque variable incluyendo un cuerpo
cilíndrico elástico transparente que tiene un índice de refracción
radialmente variable donde la potencia óptica se reduce expandiendo
radialmente el cilindro, colocando por ello la lente bajo tensión
radial. La expansión radial de la lente se lleva a cabo por un
elemento piezoeléctrico que rodea el cuerpo cilíndrico de la lente y
está unido a él. Baba describe que dicha expansión radial también
reduce la curvatura positiva de superficies refractoras ópticas en
los extremos del cilindro o induce una mayor curvatura negativa. En
la lente de enfoque variable de Baba la expansión radial se realiza
en general uniformemente a lo largo de todo el eje del cilindro.
Véase también WO 92/03 989 que describe otra
lente de enfoque variable donde la potencia de la lente se varía
mediante el estiramiento radial de la lente.
Otros métodos de producir una lente de enfoque
variable han implicado controlar el índice de refracción del
material del que se hace la lente. Por ejemplo, en una lente formada
a partir de un cristal líquido, una corriente eléctrica variable a
través de la lente de cristal líquido puede producir una lente de
potencia variable. Otros cristales, cuyo índice de refracción se
puede variar continuamente por medios eléctricos o mecánicos,
también se pueden utilizar en la fabricación de lentes de enfoque
variable.
Estos métodos anteriores de construir una lente
de enfoque variable tienen algunas deficiencias especiales de cada
una de las técnicas. Por ejemplo, los elementos de lente móviles
dentro de un sistema de lentes multielementos requieren celdas,
pistas y articulaciones mecánicas relativamente grandes, pesadas y
construidas exactamente. En lentes hechas con material que tiene un
índice de refracción variable, el tamaño se tenía que limitar para
mantener una claridad óptica adecuada. Las lentes de enfoque
variable descritas hasta ahora que usan un globo o vejiga lleno de
líquido han requerido un depósito y medios para introducir y sacar
fluido de la lente, lo que introduce complicaciones no viables.
Además, para producir astigmatismo lenticular continuamente
variable, las lentes conocidas deben estar basculadas o tener formas
insólitas.
Por consiguiente, sigue necesitándose un método
de producir una lente de enfoque variable en la que la potencia
óptica esférica y asférica de la lente se pueda alterar sin
necesidad de grandes movimientos mecánicos, formas insólitas,
cambios del índice de refracción del material, o el uso de una lente
globo con un depósito.
Se ha ideado ahora una lente elásticamente
deformable de enfoque variable donde la potencia óptica se varía
mediante el estiramiento radial de la lente en un pequeño porcentaje
de su diámetro. La lente según la invención se define en la
reivindicación 1. Incluye un cuerpo elástico transparente que tiene
dos superficies refractoras ópticas opuestas intersecando un eje
óptico y una periferia que rodea el eje óptico y que se extiende
entre las superficies refractoras, y medios para expandir la
periferia del cuerpo elástico en un plano generalmente perpendicular
al eje óptico en una cantidad no superior a aproximadamente 5% de su
diámetro relajado. La invención también abarca un método como se
define en la reivindicación 16, incluyendo el paso de incrementar la
potencia óptica de una lente elásticamente deformable expandiendo la
periferia de la lente en un plano generalmente perpendicular al eje
óptico de la lente en una cantidad no superior a aproximadamente 5%
de su diámetro relaja-
do.
do.
Ahora se describirán realizaciones de la
invención, a modo de ejemplo con referencia a los dibujos anexos, en
los que:
La figura 1 muestra una vista anterior en alzado
de una lente de enfoque variable experimental de esta invención que
ilustra el principio de su operación.
La figura 2 muestra una vista anterior en sección
de la lente de enfoque variable de la figura 1 tomada a lo largo de
la línea 2-2 en la figura 3.
La figura 3 muestra una vista lateral de la lente
de enfoque variable de la figura 1.
La figura 4 muestra una vista lateral en sección
transversal de la lente de enfoque variable de la figura 1 tomada a
lo largo de la línea 4-4 en la figura 1.
La figura 5 muestra una vista en alzado frontal
de otra realización de la lente de enfoque variable de esta
invención que incorpora un aro metálico calentado por un elemento de
calentamiento eléctrico como un dispositivo de accionamiento.
La figura 6 muestra una vista lateral en sección
de la lente de enfoque variable de la figura 5 a lo largo de la
línea 6-6.
La figura 7 muestra una vista en alzado frontal
de otra realización de la lente de enfoque variable de esta
invención donde se utiliza medios de estiramiento radial que
incorporan tornillos regulares para variar la longitud focal de la
lente.
La figura 8 muestra una vista lateral en sección
de la lente de enfoque variable de la figura 7 a lo largo de la
línea 8-8.
La figura 9 muestra una vista en alzado frontal
de otra realización de la lente de enfoque variable de esta
invención donde se utilizan un solenoide activado eléctricamente que
actúa radialmente para variar la longitud focal de la lente.
La figura 10 muestra una vista en alzado frontal
de otra realización de la lente de enfoque variable de esta
invención donde un aro metálico térmicamente expansible está
embebido en la periferia de una lente elastomérica.
La figura 11 muestra una vista lateral en sección
de la lente de enfoque variable de la figura 10 a lo largo de la
línea 11-11.
Las figuras 12a, 12b y 12c muestran los
resultados experimentales de pruebas en tres lentes de globo según
la invención, como se describe en el Ejemplo.
Esta invención se basa en descubrimientos con
respecto al cambio de curvatura de superficies ópticas de una lente
óptica elásticamente deformable cuando su periferia se expande
radialmente una pequeña cantidad en un plano generalmente
perpendicular al eje óptico. Es natural suponer que el estiramiento
radial de dicha lente elástica dará lugar a que el grosor central de
la lente disminuya con un incremento resultante en los radios de
curvatura de las superficies refractoras ópticas que originaría una
reducción de la potencia óptica de la lente. En efecto, se puede
observar una disminución de la potencia óptica en una lente
elastomérica cuando se estira severamente como se describe e ilustra
en Ford, Patente de Estados Unidos 4.444.471. Sin embargo,
inesperadamente, y en contra de lo que cabría esperar y lo que
sugieren las descripciones de Ford, cuando una lente elásticamente
deformable se somete a estiramiento radial en un pequeño porcentaje
de su diámetro, la potencia óptica aumenta realmente, y los aumentos
pueden ser bastante sustanciales. Se ha hallado ahora que expandir
el diámetro ecuatorial de una lente elásticamente deformable en una
cantidad pequeña, no superior a aproximadamente 5% del diámetro
relajado de la lente, en un plano generalmente perpendicular al eje
óptico, produce un aplanamiento de la curvatura de la lente en la
zona periférica de la lente y un aumento de curvatura en la zona
central dando lugar a un aumento de la potencia óptica de la zona
central de la lente.
En consecuencia, la invención abarca un método de
incrementar la potencia óptica de una lente incluyendo un cuerpo de
lente transparente elásticamente deformable que tiene dos
superficies refractoras que intersecan un eje óptico y una periferia
que rodea el eje óptico expandiendo la periferia del cuerpo de lente
en un plano generalmente perpendicular al eje óptico en una cantidad
no superior a aproximadamente 5% del diámetro relajado de la
periferia. La invención también incluye una lente elásticamente
deformable cuya potencia óptica se puede variar mediante pequeños
cambios en su diámetro ecuatorial. Dicha lente incluye un cuerpo de
lente transparente elásticamente deformable que tiene dos
superficies ópticamente refractoras intersecando un eje óptico y una
periferia que rodea dicho eje óptico y medios para expandir la
periferia del cuerpo de lente en una cantidad no superior a
aproximadamente 5% del diámetro relajado de la periferia.
La invención es aplicable a todas las lentes
elásticamente deformables en formas de lentes convencionales, es
decir, biconvexa, bicóncava, plano-convexa,
plano-cóncava, cóncavo-convexa, o
lentes biplano, tanto si las superficies refractoras son esféricas,
asféricas, cilíndricas, tóricas o análogos. Es decir, la invención
se extiende a lentes de potencia positiva, negativa y cero de todos
los tipos y grosores, incluyendo las hechas de materiales ópticos
homogéneos, materiales ópticos de índice graduado (lentes GRIN),
lentes llenas de fluido de todas las formas y grosores de pared,
tanto de grosor de pared constante como variable, lentes Fresnel, y
elementos ópticos defractivos (DOE).
Según la invención, la longitud focal o potencia
óptica de una lente elásticamente deformable se altera por pequeños
cambios en su diámetro ecuatorial. Típicamente, una lente
elásticamente deformable está montada en una celda que ejerce
inicialmente tensión suficiente para soportar la lente y
estabilizarla en una posición de reposo o estabilizado. Los
elementos de montaje y que ejercen tensión están colocados de
ordinario alrededor de la periferia o ecuador de la lente y están
dispuestos para ejercer tensión en un plano orientado generalmente
perpendicular al eje óptico de la lente. De ordinario la tensión
estabilizante inicial será relativamente pequeña y no producirá
distorsión sustancial de la forma natural de la lente. En esta
aplicación la conformación de la lente en este estado de poca o nula
tensión se denominará el estado relajado de la lente. Para alterar
la longitud focal o potencia óptica de la lente, la tensión radial
se incrementa a un valor que hace que el diámetro ecuatorial de la
lente aumente ligeramente, hasta 5% de su diámetro relajado, y
preferiblemente hasta 2-3% de su diámetro relajado.
Cuando el diámetro ecuatorial experimenta este pequeño aumento, una
o ambas superficies refractoras ópticas de la lente se cambian de
forma única. La superficie refractora se aplana cerca de la
periferia con una consiguiente curvatura más pronunciada en la zona
central de la lente, es decir, la zona que rodea inmediatamente el
eje óptico. El resultado es que con dichos pequeños aumentos del
diámetro ecuatorial, se incrementa la potencia óptica de la
zona central de la lente, no disminuye como cabría esperar.
Correspondientemente, se acorta la longitud focal de la zona central
de la lente.
La lente elásticamente deformable de la invención
se puede construir de cualquier material ópticamente adecuado que
puede experimentar deformación elástica de magnitud suficiente para
exhibir el cambio de la potencia óptica de la lente según la
invención. El material debe ser generalmente transparente a
longitudes de onda destinadas a ser enfocadas por la lente. Así, las
lentes destinadas a uso en la región visible del espectro deben ser
generalmente transparentes a longitudes de onda visibles, mientras
que las lentes destinadas a uso a longitudes de onda de infrarrojos
deben ser transparentes a la radiación infrarroja, pero no
necesariamente a la radiación visible. Evidentemente, se puede
tolerar cierta dispersión de radiación e imperfección óptica en la
lente si está destinada a uso no critico. Sin embargo, en general el
material deberá ser lo más transparente que sea posible en la región
de longitud de onda de interés.
El elemento de lente elásticamente deformable
utilizado en lentes según la invención se puede hacer de materiales
elastoméricos sólidos formados en la forma del elemento de lente en
reposo. Las lentes elastoméricas sólidas se pueden hacer, por
ejemplo, de polímeros sintéticos tal como cauchos de silicona,
polietileno, polipropileno, poliestirenos modificados, elastómeros
transparentes de poliuretano y análogos. Los expertos en la técnica
reconocerán que el material utilizado deberá exhibir deseablemente
alta transparencia, es decir, baja absorbancia óptica y baja
dispersión de luz a la longitud de onda de interés. Las propiedades
de los diferentes materiales elastoméricos ópticos son conocidas o
se pueden medir. En consecuencia, el médico no tendrá dificultad al
seleccionar un material apropiado para una aplicación de lente dada.
Tales lentes se pueden moldear o colar por procedimientos
convencionales en la forma de lentes biconvexas,
plano-convexas, bicóncavas,
plano-cóncavas, plano-planas o de
menisco y análogos. Las lentes también se pueden formar maquinando
superficies ópticas sobre cuerpos elastoméricos transparentes por
procedimientos convencionales para maquinar tales materiales, por
ejemplo, rigidizándolas por enfriamiento y realizando las
operaciones de maquinado en dicho estado del material.
Los cuerpos de lente para uso en la invención
también pueden vejigas o globos llenas de fluido o gel. Una lente de
este tipo se puede construir formando un globo o vejiga de material
transparente, por ejemplo, de tereftalato de polietileno, y llenando
el globo con un material fluido, por ejemplo, líquido o gas, o un
gel transparente deformable de baja dispersión. Los materiales
adecuados para llenar una lente de globo incluyen agua, soluciones
acuosas de sólidos inorgánicos y orgánicos solubles en agua,
líquidos orgánicos, mezclas de agua y líquidos orgánicos miscibles
en agua y aceites de silicona. Los líquidos orgánicos y sales
inorgánicas solubles conteniendo halógeno tal como cloro, bromo y
yodo en forma covalentemente unida o iónica son útiles como
materiales de llenado de índice de refracción relativamente alto.
Las mezclas de agua y compuestos orgánicos miscibles en agua, tales
como glicoles y polietilenglicoles, son materiales de llenado
útiles.
El globo o vejiga se monta después en posición en
un eje óptico y se suspende por medios conectados a la periferia de
la lente para ejercer radialmente una tensión dirigida hacia fuera
en un plano que pasa por el cuerpo de lente. Cuando se ha ejercido
un nivel bajo de tensión, la lente asume una forma estable dentro de
los medios de montaje, es decir, está en un estado estabilizado,
definido en esta solicitud como el estado relajado de la lente.
Además, la tensión radial en la periferia del cuerpo de lente lleno
de fluido o gel que expande la periferia del cuerpo de lente hasta
5%, hace que las superficies ópticas experimenten el cambio de forma
característico de esta invención, por lo que se incrementa la
curvatura de la zona central de la lente, incrementando por ello la
potencia óptica de la lente.
Se puede usar cualquier método o procedimiento
que pueda ejercer una tensión radial en la periferia o el ecuador de
una lente para variar la potencia óptica de una lente elásticamente
deformable según esta invención. Los medios para ejercer la tensión
no tienen que ejercer tensión en una dirección radial directa con
respecto al eje óptico de la lente. Es suficiente que la resultante
de toda la tensión ejercida en la periferia de la lente produzca un
aumento del diámetro de la periferia de la lente.
Por consiguiente, la fuerza aplicada a la
periferia de la lente para expandir su diámetro ecuatorial se puede
aplicar por medios mecánicos directos tales como tornillos
orientados radialmente, cilindros hidráulicos o neumáticos,
solenoides eléctricos, excéntricas mecánicas y seguidores de
excéntrica tal como los usados en mecanismos de diafragma de iris y
análogos. El mecanismo se puede sujetar a la periferia de la lente
por medios convencionales tales como fijación, unión o análogos. El
mecanismo tensor será capaz de ejercer fuerza en una dirección
generalmente radial hacia fuera alrededor de la periferia de la
lente. Aunque la tensión en el cuerpo de lente se debe ejercer hacia
fuera en un plano generalmente perpendicular al eje óptico, el
dispositivo mecánico que es la fuente de la tensión puede estar
situado en otro lugar que en el plano en el que tiene lugar la
expansión radial del cuerpo de lente. No obstante, la fuente de la
tensión está situada por lo general cerca de la lente y ejerce su
fuerza radialmente hacia fuera en el cuerpo de lente directamente o
mediante elementos mecánicos de acoplamiento que convierten la
fuerza generada por el elemento de accionamiento en una tensión
radialmente hacia fuera en el cuerpo de lente. En particular, el
elemento de accionamiento puede operar paralelo al eje óptico y la
tensión generada por el movimiento axial del tensor se puede
convertir a una tensión radial hacia fuera en el cuerpo de lente por
medio de tendones y poleas, manivelas, o análogos. En una
realización preferida la tensión radial en el cuerpo de lente se
puede generar previendo una pestaña flexible que se extiende
radialmente desde la periferia del cuerpo de lente, y arrastrando la
pestaña en una dirección paralela al eje óptico sobre un yunque
circular que tiene un diámetro algo mayor que el de la periferia del
cuerpo de lente. La tracción axial en la pestaña flexible se
convierte en una tensión radial en la periferia del cuerpo de lente
que puede aumentar su diámetro y aumentar por ello la potencia
óptica de la lente.
Una lente de enfoque variable preferida según la
invención incluye un cuerpo de lente elásticamente deformable que
tiene un aro de accionamiento de metal u otro material unido a la
periferia del cuerpo de lente o embebido en el cuerpo de lente junto
a su periferia. El aro de accionamiento se construye de un material
que puede expandir su diámetro en respuesta a un cambio en su
entorno físico o químico, alterando por ello el diámetro del cuerpo
de lente en el plano del aro. Si se utiliza un aro metálico de
accionamiento, el diámetro del aro se puede expandir calentando el
aro, expandiendo por ello la periferia del cuerpo de lente y
aumentando la potencia óptica de la lente. El aro se puede calentar
por cualquier método de calentamiento convencional. Por ejemplo, el
aro se puede calentar por conducción de calor con un elemento de
calentamiento eléctrico colocado junto a o rodeando el aro metálico.
En tal disposición la temperatura del aro de accionamiento se puede
controlar regulando la corriente eléctrica en el elemento de
calentamiento. Alternativamente, el aro se podría calentar por
corrientes eléctricas en su interior, introduciendo una sección
aislante en el aro y suministrando corriente eléctrica a los
extremos de la porción conductora del aro mediante electrodos, o
generando corrientes parásitas en el aro metálico por inducción
electromagnética usando una fuente externa de un campo
electromagnético alterno. Un aro metálico de accionamiento también
se puede calentar por calor radiante dirigido sobre él desde una
fuente externa de radiación, por ejemplo radiación infrarroja. La
variación continua de la temperatura de un aro metálico de
accionamiento expansible produce una variación continua en la
potencia óptica de la lente según la invención. También es posible
realizar un cambio relativamente brusco de la potencia óptica a una
temperatura predeterminada haciendo que el aro de accionamiento de
un metal de memoria de forma altere su diámetro a una temperatura
dada cuando se caliente o enfríe. Si el aro se hace de un material
magnetoestrictivo, su diámetro se puede alterar sometiéndolo a un
campo magnético. El aro de accionamiento también se puede hacer de
un material piezoeléctrico que cambie sus dimensiones cuando se le
imponga un campo eléctrico, por ejemplo, un aro de sección
transversal rectangular hecho de una cerámica piezoeléctrica con
electrodos aplicados o chapados en lados opuestos del aro para
aplicar un campo eléctrico.
El aro de accionamiento también puede estar
compuesto de elementos bimetálicos dispuestos para ejercer una
fuerza hacia fuera en la periferia del cuerpo de lente cuando se
varía la temperatura. Evidentemente, tales elementos se pueden
disponer para incrementar el diámetro ecuatorial del cuerpo de lente
con al aumentar o disminuir la temperatura.
El aro de accionamiento puede estar compuesto de
un material que cambie sus dimensiones en respuesta a un cambio en
su entorno químico, incrementando por ello el diámetro del cuerpo de
lente.
Varias realizaciones de la lente de enfoque
variable de la invención se ilustran en los dibujos.
Las figuras 1-4 ilustran un
aparato experimental 100 usado para evaluar e ilustrar la lente y el
método de la invención. Una lente biconvexa elásticamente deformable
102, por ejemplo, una lente hecha de una vejiga transparente, que
tiene una pared 114 y un labio o aro ecuatorial circundante 110,
llena de agua 112, está montada dentro de un aro rígido de montaje
104. La figura 1 muestra una vista en alzado frontal del aparato,
mientras que la figura 2 muestra una vista delantera en sección
tomada a través del plano de la periferia o ecuador 1 ... de la
lente 102. La figura 3 ilustra una vista lateral del aparato 100
mirando perpendicular a la línea 4-4 en la figura 1,
mientras que la figura 4 ilustra una sección transversal tomada a lo
largo de la línea 4-4 en la figura 1. El aro de
montaje 104 soporta ocho micrómetros 106, con husillos no rotativos,
que están fijados al aro de montaje 104 con tornillos de fijación
107 o análogos. Los husillos de los micrómetros 106 están dispuestos
de manera que entren y salgan radialmente cuando se giran sus
dedales. En el extremo interno de cada micrómetro hay una abrazadera
108 que fija con seguridad el aro 110 de la lente 102. El aparato
completo 100 se puede montar en un banco óptico, no representado,
por medios de montaje convencionales, no representados, para evaluar
el cambio en longitud focal producido al incrementar el diámetro
ecuatorial de la lente 102. Una vez que la lente 102 ha sido fijada
en posición en el centro en el aparato 100, los micrómetros 106 se
pueden ajustar para proporcionar una tensión estabilizante inicial
en el labio periférico o pestaña 110 de la lente para establecer las
condiciones iniciales. Al evaluar el efecto de incrementar el
diámetro ecuatorial, la longitud focal de la lente en su condición
inicial se mide por medios convencionales. Los micrómetros 106 se
ajustan posteriormente para producir un pequeño desplazamiento
simétrico hacia fuera del aro periférico 110 de la lente 102, y de
nuevo se determina la longitud focal. Se ha hallado que para una
lente elásticamente deformable en tal aparato la potencia óptica de
la lente se incrementa cuando el diámetro ecuatorial se incrementa
hasta aproximadamente 5%.
Se puede usar otro aparato para ejercer tensión
radial y producir pequeños aumentos en el diámetro ecuatorial en
lentes de enfoque variable según la invención.
Otra lente de enfoque variable 200 la invención
se ilustra en las figuras 5 y 6. Una lente elásticamente deformable
202 tiene una bobina anular de calentamiento resistivo eléctrico 206
embebida dentro del aro 204 de la lente cerca del ecuador 205. La
bobina 206 se puede calentar pasando una corriente eléctrica a su
través, incrementando por ello su diámetro que aumenta
simultáneamente el diámetro ecuatorial de la lente. La figura 5 es
una vista frontal en alzado que representa la lente 202 que tiene
una bobina de calentamiento 206 embebida como una fuente controlable
de calor. La figura 6 muestra una vista lateral en sección
transversal de la lente de la figura 5 a lo largo de la línea
6-6 en la figura 5.
Una realización 500 de la lente de enfoque
variable de la invención se ilustra en las figuras 10 y 11. Esta
realización de la invención utiliza un aro metálico 506 embebido en
el aro 504 de la lente 502 o unido a él. Cuando se calienta el aro
metálico 506, se expande, incrementando por ello el diámetro
ecuatorial de la lente 502 y aumentando su potencia óptica. El aro
metálico 506 podría ser calentado por una bobina de calentamiento
adyacente del tipo ilustrado en las figuras 5 y 6. El aro metálico
también se podría calentar con otros medios. Por ejemplo, el aro se
podría hacer de un material ferromagnético y la lente podría estar
rodeada por una bobina que transporte una corriente alterna que
caliente el aro por inducción electromagnética. El aro también se
podría calentar por energía radiante.
En las figuras 7 y 8 se ilustra otra realización
de la invención donde la tensión radial que aumenta el diámetro
radial, se aplica con tornillos de tensión que estiran la periferia
de la lente elásticamente deformable sobre un yunque. En este
aparato 300 se monta una lente elásticamente deformable 302 en una
celda de tensión 304 por un aro de fijación 308 accionado tornillos
de regulación 310. Los tornillos de regulación 310 se pueden ajustar
inicialmente para proporcionar una tensión estabilizante inicial en
la lente 302. Después, apretando los tornillos de regulación 310, la
periferia 312 de la lente 302 se arrastra sobre el yunque circular
306 incrementando por ello el diámetro radial ecuatorial de la lente
302. El resultado es un aumento de la potencia óptica cuando el
diámetro ecuatorial se incrementa un pequeño porcentaje.
La figura 9 ilustra esquemáticamente una
realización de la invención 400 donde una lente elásticamente
deformable 402 está montada por abrazaderas 408 fijadas a solenoides
406. Los solenoides 406 están montados a su vez en cualquier
estructura de soporte convencional no representada. Cuando los
solenoides 406 son accionados, se incrementa el diámetro ecuatorial
de la lente 402, incrementando por ello la potencia óptica de la
lente.
El aro ecuatorial de una lente elásticamente
deformable de enfoque variable de esta invención puede ser un
material piezoeléctrico que se expande bajo la aplicación de un
voltaje eléctrico, o un aro magnetoestrictivo que se expande cuando
se coloca en un campo magnético. También se puede usar un aro
bimetálico que cambia su diámetro cuando se calienta. El aro también
se puede hacer de aleación de memoria de forma que cambia diámetro a
una temperatura de transición específica. El aro no tiene que ser
continuo alrededor de la circunferencia completa de la lente, sino
que puede estar compuesto de dos o más segmentos. Es suficiente que
la acción combinada de los segmentos cuando se altere su tamaño, por
ejemplo, por calor, dé lugar a un cambio en el diámetro ecuatorial
de la lente. En general, se puede usar cualquier material, metal,
plástico, material compuesto o análogos a condición de que su
diámetro se pueda alterar por la aplicación de alguna entrada de
control. Así, los aros cuyo diámetro se puede alterar por ajuste
mecánico son adecuados para ser utilizados en la lente de enfoque
variable de esta invención. Preferiblemente tales aros deberán
aportar una tensión simétrica alrededor del ecuador de la lente para
producir una lente simétrica. Incluso aros de material cuyo diámetro
se altere por exposición a algunas condiciones químicas, por
ejemplo, en las lentes de enfoque variable de esta invención se
puede usar polímeros cuyas dimensiones mecánicas sean alteradas por
un cambio en el pH de su entorno.
Los expertos en la materia entenderán que el aro
de tensión que proporciona el cambio en el diámetro ecuatorial de
una lente de esta invención puede ser embebido dentro de la lente
propiamente dicha, preferiblemente cerca del ecuador de la lente, o
puede ser externo a la lente y fijarse al ecuador de la lente por
cualesquiera medios adecuados tal como fijación, unión, sujeción
adhesiva o análogos.
El método de esta invención también tiene
utilidad en la producción de una lente astigmática de enfoque
variable. Induciendo cantidades diferentes de pequeños cambios de
desplazamiento de diferentes meridianos del diámetro ecuatorial de
la lente elásticamente deformable, se puede controlar la potencia
óptica de la lente en diferentes meridianos.
Como se indica en la explicación anterior, un aro
de tensión utilizado en la lente de enfoque variable de esta
invención puede estar unido, o conectado a, o embebido en, o formar
una parte integral del diámetro ecuatorial del globo lente o lente
flexible elásticamente deformable. El aro solamente tiene que ser
suficientemente rígido para ejercer una fuerza en el ecuador de la
lente para inducir un pequeño desplazamiento. Tales materiales son
conocidos e incluyen metales adecuados, elementos bimetálicos,
metales con memoria de forma, aleaciones, cerámica, resinas
sintéticas, materiales vítreos, porcelana, fibras de vidrio, fibras
de boro, fibras de carbono, fibras de alúmina, materiales
compuestos, o análogos.
La lente de enfoque variable de la invención se
puede fabricar mediante cualquier técnica convencional apropiada
para el material utilizado, tal como maquinado, moldeo por
inyección, formación de vacío, formación a presión, moldeo por
calor, formación por compresión, estampado y análogos.
Ejemplo
Este ejemplo ilustra la variación de potencia
óptica de una lente elásticamente deformable que se puede lograr
haciendo pequeños cambios en el diámetro ecuatorial de la lente.
Se construyó un aparato experimental del tipo
ilustrado en las figuras 1-4 y utilizó para medir el
cambio en la potencia óptica alcanzable haciendo pequeños cambios en
el diámetro ecuatorial de una lente elásticamente deformable
comprobada en el aparato.
Se construyeron tres globos de plástico
transparente, de cloruro de polivinilo con un módulo de elasticidad
de 2,4-4,1 GPa y un índice de refracción de
1,50-1,55. Los globos se hicieron termosellando dos
láminas del material de cloruro de polivinilo, que tiene un grosor
de aproximadamente 0,5 mm, dejando un labio de aproximadamente 3 mm
de ancho extendiéndose radialmente hacia fuera del ecuador de la
lente alrededor del globo. A continuación se llenaron los globos de
agua y sellaron. Los globos se numeraron 1, 2 y 3, y tenían las
dimensiones expuestas en la Tabla 1 siguiente. El grosor se midió en
una dirección antero-posterior a lo largo del eje
óptico.
Lente número | Diámetro ecuatorial (mm) | Grosor (mm) | |
1 | 30,4 | 11,5 | |
2 | 28,7 | 12,6 | |
3 | 27,6 | 15,0 |
El aparato era esencialmente el mismo que el
ilustrado en las figuras 1-4. Las lentes se montaron
en el aparato fijando el labio ecuatorial a los husillos de ocho
micrómetros opuestos espaciados a igual distancia con husillos no
rotativos (L.S. Starrett Co., Athol, MA). El aro de montaje se
colocó en un banco óptico de precisión
(Modelo-L-360-N,
Gaertner Scientific, Chicago, IL) usando un goniómetro de doble arco
para garantizar que el plano ecuatorial de la lente de globo fuese
perpendicular al eje de observación del banco óptico. Se dirigió luz
colimada procedente de un colimador montado en el banco óptico a
través de un diafragma con un agujero de 9,5 mm y después a través
de la lente de prueba. La imagen se observó con un microscopio
colocado en el eje óptico. El diámetro inicial de la lente de prueba
se determinó regulando los micrómetros hasta que se observó una
imagen nítida. Los micrómetros se giraron posteriormente de manera
que los husillos se moviesen hacia fuera, en incrementos de 0,127
mm, \pm 0,005 mm. La longitud focal efectiva de la lente de prueba
se midió para cada incremento del diámetro ecuatorial a una
precisión de \pm 0,12 dioptrías, determinadas a partir de la
posición del punto nodal. El aumento de diámetro ecuatorial se
continuó hasta que otro incremento sólo producía aproximadamente un
aumento de 1 dioptría de potencia óptica efectiva. Los micrómetros
se giraron después hacia dentro, en incrementos de 0,127 mm y se
midió la potencia óptica efectiva hasta que la lente de globo volvió
a su diámetro ecuatorial inicial. Cada lente se comprobó mediante
tres ciclos de estiramiento y relajamiento. El aumento de potencia
óptica efectiva con pequeño aumento de diámetro ecuatorial (< 2%)
era completamente reversible y reproducible.
Los resultados de la verificación para las tres
lentes se exponen en la Tabla 2 siguiente.
Lente número | Cambio en el diámetro ecuatorial | Potencia óptica media | Desviación estándar |
(mm) | (dioptrías) | (dioptrías) | |
1 | 0 | 14,4 | 0,3 |
0,508 | 17,0 | 0,8 | |
0,762 | 20,7 | 0,2 | |
1,016 | 21,5 | 0,3 | |
1,524 | 22,0 | 0,3 | |
1,016 | 20,7 | 0,4 | |
0,762 | 19,8 | 0,8 | |
0,508 | 18,2 | 0,5 | |
0,254 | 15,9 | 0,7 | |
0 | 13,4 | 0,1 | |
2 | 0 | 13,6 | 0,2 |
0,254 | 16,8 | 0,1 | |
0,508 | 19,8 | 0,2 | |
0,762 | 21,6 | 0,3 | |
1,016 | 23,0 | 0,8 | |
1,524 | 23,9 | 0,5 | |
1,016 | 22,2 | 0,9 | |
0,762 | 20,5 | 1,1 | |
0,508 | 18,1 | 0,5 | |
0,254 | 15,7 | 0,3 | |
0 | 13,8 | 0,1 | |
3 | 0 | 13,7 | 0,5 |
0,254 | 16,7 | 0,9 | |
0,508 | 18,5 | 0,3 | |
0,762 | 20,1 | 0,1 | |
1,016 | 20,6 | 0,7 | |
1,524 | 21,1 | 0,8 | |
1,016 | 19,2 | 0,2 | |
0,762 | 18,2 | 0,6 | |
0,508 | 16,9 | 0,5 | |
0,254 | 15,0 | 0,5 | |
0 | 13,7 | 0,5 |
Los resultados experimentales se presentan en
forma gráfica en las figuras 12a, 12b, y 12c. En las figuras los
puntos de datos tomados mientras se estiraba la lente, se indican
con círculos, y los tomados mientras se relajaba la lente, se
indican con cuadrados. Los resultados muestran que el cambio de
potencia óptica es significativo y en general lineal para pequeños
cambios del diámetro ecuatorial.
Claims (23)
1. Una lente de enfoque variable incluyendo un
cuerpo de lente deformable que tiene una periferia rodeando su eje
óptico, y medios para expandir dicha periferia en un plano orientado
generalmente perpendicular al eje óptico, caracterizada
porque dichos medios para expandir están adaptados para expandir
dicha periferia una cantidad no superior a aproximadamente 5% del
diámetro relajado de dicha periferia, incrementando por ello la
potencia óptica de dicho cuerpo de lente.
2. La lente de enfoque variable expuesta en la
reivindicación 1, donde dicho cuerpo de lente deformable tiene dos
superficies opuestas.
3. La lente de enfoque variable expuesta en la
reivindicación 2, donde dichas dos superficies opuestas y dicha
periferia definen una cavidad.
4. La lente de enfoque variable expuesta en la
reivindicación 3, donde dicha cavidad se llena de uno de un sólido,
un líquido y un gas.
5. La lente de enfoque variable expuesta en la
reivindicación 2, donde dichas dos superficies opuestas se componen
de un polímero sintético.
6. La lente de enfoque variable expuesta en la
reivindicación 2, donde dichos medios de expansión aplican fuerzas
dirigidas radialmente hacia fuera inmediatamente a dicha periferia
de dicho cuerpo de lente.
7. La lente de enfoque variable expuesta en la
reivindicación 6, donde dichos medios de expansión aplican dichas
fuerzas dirigidas radialmente hacia fuera simétricamente en cada
meridiano de dicho cuerpo de lente.
8. La lente de enfoque variable expuesta en la
reivindicación 1, donde dichos medios de expansión están acoplados a
dicha periferia e incluyen al menos uno de medios de tensión y un
aro expansible.
9. La lente de enfoque variable expuesta en la
reivindicación 8, donde dichos medios de expansión incluyen al menos
uno de tornillos, solenoides, cilindros hidráulicos, cilindros
neumáticos, al menos una excéntrica y seguidor de excéntrica, y
medios para ejercer tensión en una dirección distinta de radialmente
hacia fuera acoplados operativamente a medios para redirigir dicha
tensión para que actúe radialmente hacia fuera en dicha
perife-
ria.
ria.
10. La lente de enfoque variable expuesta en la
reivindicación 9, donde dichos medios para ejercer tensión en una
dirección distinta de radialmente hacia fuera se seleccionan a
partir del grupo que consta de tornillos, solenoides, cilindros
hidráulicos, cilindros neumáticos, y excéntricas y seguidores.
11. La lente de enfoque variable expuesta en la
reivindicación 9, donde dichos medios para redirigir dicha tensión
de manera que actúe radialmente hacia fuera en dicha periferia se
seleccionan a partir del grupo que consta de tendones que operan
sobre poleas, manivelas, y una pestaña periférica integral con dicha
lente y un yunque.
12. La lente de enfoque variable expuesta en la
reivindicación 8, donde dicho aro expansible está unido a dicha
periferia y embebido en dicho cuerpo de lente junto a dicha
periferia.
13. La lente de enfoque variable expuesta en la
reivindicación 8, donde dicho aro expansible es un aro metálico
térmicamente expansible.
14. La lente de enfoque variable expuesta en la
reivindicación 8, donde dicho aro expansible incluye una aleación de
memoria de forma.
15. La lente de enfoque variable expuesta en la
reivindicación 8, donde dicho aro expansible es discontinuo.
16. Un método para incrementar la potencia óptica
de una lente de enfoque variable incluyendo un cuerpo de lente
deformable que tiene una periferia rodeando su eje óptico,
incluyendo el método el paso de expandir dicha periferia en un plano
orientado generalmente perpendicular al eje óptico,
caracterizado porque el paso de expansión expande dicha
periferia una cantidad no superior a aproximadamente 5% del diámetro
relajado de dicha periferia y por lo tanto aumenta la potencia
óptica de dicho cuerpo de lente.
17. El método expuesto en la reivindicación 16,
donde dicho paso de expansión incluye además el paso de aplicar
fuerzas dirigidas radialmente hacia fuera inmediatamente a dicha
periferia de dicho cuerpo de lente.
18. El método expuesto en la reivindicación 16,
donde dicho paso de expansión incluye además el paso de aplicar
fuerzas dirigidas radialmente hacia fuera simétricamente en cada
meridiano de dicho cuerpo de lente.
19. El método expuesto en la reivindicación 16,
incluyendo además el paso de ejercer tensión en una dirección
distinta de radialmente hacia fuera y redirigir dicha tensión
ejercida de manera que actúe radialmente hacia fuera en dicha
periferia.
20. Una lente de enfoque variable, según se
reivindica en la reivindicación 1, donde dichos medios de expansión
aplican fuerzas dirigidas radialmente hacia fuera (i) inmediatamente
a dicha periferia de dicho cuerpo de lente y (ii) simétricamente en
cada meridiano de dicho cuerpo de lente.
21. La lente de enfoque variable expuesta en la
reivindicación 20, donde dichas dos superficies opuestas y dicha
periferia definen una cavidad que se llena de al menos uno de un
sólido, un líquido y un gas.
22. Un método según se reivindica en la
reivindicación 16, incluyendo los pasos de relajar dicha periferia
en un plano orientado generalmente perpendicular al eje óptico para
disminuir por lo tanto la potencia óptica de dicho cuerpo de
lente.
23. Una lente según se reivindica en la
reivindicación 1, donde los medios para expandir también pueden
operar para relajar dicha periferia en un plano orientado
generalmente perpendicular al eje óptico para disminuir por lo tanto
la potencia óptica de dicho cuerpo de lente deformable.
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