ES2305027T3 - Formador de haz de luz. - Google Patents
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Abstract
Sistema que comprende un formador de haz de luz y una fuente de luz cuasi monocromática (1), el mencionado formador de haz de luz comprende un elemento de transmisión (3) que comprende un material sustancialmente transparente que posee un índice (eta), el elemento de transmisión (3) permite guiar la propagación de luz desde la fuente de luz (1) con distintas relaciones de geometría de imágenes, el elemento de transmisión (3) comprende patrones de difracción de relieve de superficie al menos binarios, con períodos de red local (d) optimizados en relación a las direcciones longitudinal y transversal, y con respecto a un eje óptico, en que la fuente de luz (1) tiene una longitud de onda (lambda) y el período de red local (d) están optimizados sustancialmente de acuerdo con la geometría de difracción según la ley de Bragg para un rango específico de ángulos de incidencia (zeta) para brindar una máxima eficiencia de difracción al guiar la propagación de la luz, donde guiar la propagación de la luz comprende al menos rotación, elipsis, colimación, divergencia o convergencia, donde a) el elemento de transmisión (3) para guiar la luz tiene una geometría de imagen de 1:1 y el formador de haz de luz tiene un perfil de superficie (3'') dispuesto difractivamente en una superficie plana, y el mencionado perfil de superficie (3'') tiene en su parte central un patrón difractivo y en los bordes al menos parcialmente un patrón difractivo de Bragg para guiar la propagación de la luz (R) con un ángulo de incidencia de más de 15º. b) el elemento de transmisión (3) tiene una geometría de imagen de una relación sustancialmente equivalente a 1:1 y además comprende un lente refractivo en el área central y el formador de haz de luz tiene un perfil de superficie (3'') dispuesto en un patrón híbrido tal que la guía de la luz (R) tiene un ángulo de incidencia de menos que un ángulo del rango entre 15º y 40º, preferentemente 30º, se implementa mediante un lente refractivo, y la guía de la luz (R) tiene un ángulo de incidencia mayor que el valor de un ángulo ubicado en el rango entre 15º y 40º, preferentemente 30º, se implementa al menos parcialmente mediante un patrón de red difractivo de Bragg, o c) el elemento de transmisión (3) tiene una geometría de imagen sustancialmente diferente de una relación 1:1 y además comprende una superficie refractiva asférica o esférica que comprende un patrón difractivo de Bragg que posee paredes verticales perpendiculares localmente a la superficie curva, que permite satisfacer la condición de Bragg y lograr una alta eficiencia de difracción, donde el patrón de difracción de relieve de superficie del elemento de transmisión está dispuesto en un patrón híbrido.
Description
Formador de haz de luz.
La invención hace referencia a un formador de
haz de luz diseñado para usarse conjuntamente con una fuente de luz
cuasi monocromática y un método para producir un formador
de haz de luz.
Existen elementos de transmisión conocidos
actualmente para la aplicación arriba descrita, a saber, los
siguientes: a) sistemas de lentes refractivos, b) sistemas de lentes
difractivos, y c) montajes híbridos.
Además de lo anterior, también se usa
actualmente un "reflector Bragg", en el que el montaje es
parcialmente reflectivo y parcialmente transparente. Además, se
tiene conocimiento del uso de la construcción Bragg en
aplicaciones de fibras ópticas en la forma de una así llamada
"red de fibra", que opera como un montaje de salida selectivo,
pero no, sin embargo, como un verdadero elemento de transmisión
similar a un lente. Sin embargo, las soluciones descritas en este
contexto deben aún encontrar un uso práctico en el filtrado y
conformación de haces en la actualidad.
Así, en particular la patente US 5,966,399
presenta un reflector Bragg o un así llamado "lente Fresnel",
integrado y comunicado con un láser de cavidad vertical (VCSEL),
que sin embargo no constituye una verdadera matriz de protección
para un semiconductor. En este contexto, sin embargo, no se han
descrito soluciones que puedan ser directamente aplicables a una
producción en masa.
Además, la solicitud de patente internacional
PCT/US98/17295 describe un formador de haz integrado en láseres
semiconductores y que constituye un elemento lente separado. Este
lente en particular se basa en disposiciones refractivas y
difractivas tradicionales, y en montajes híbridos construidos en
base a estos, Sin embargo, el elemento lente descrito en la
referencia citada no constituye un componente integrado con una
fuente de luz, ni hay referencia en esta instancia siquiera a hacer
uso del efecto Bragg.
Además, US 607,550 A presenta un formador de haz
compuesto por un lente cilíndrico separado que también se basa en
superficies refractivas o difractivas, y que fue modificado para
conformar un frente de ondas luminosas producido principalmente por
diodos láser. Por otra parte, esta referencia no describe tampoco
ninguna solución que esté en modo alguno integrada con una fuente
de luz, ni, por otra parte, ningún uso de la red de Bragg.
Por otra parte, una solución basada en US
5,986,807 A se compone de un elemento óptico difractario binario
para un homogeneizador de haz y que sólo resulta adecuado para luz
coherente, como por ejemplo láseres y similares. Este tipo de
estructura binaria de red de difracción de fase con relieve
superficial se basa en funciones de fase cuantitativas y variables
y sólo está pensada para enfocar el haz. Esta patente no sugiere el
aprovechamiento de la geometría de difracción de Bragg y no brinda
ningún tipo de solución para la formación del haz de fuentes de luz
no coherentes.
En base al documento "Bragg holograms with
binary synthetic surface-relief profile", Jari
Turunuen et al., Optic letters 18, Junio 15, N.12, 1993,
páginas 1022 a 1024, tenemos referencia de una fuente de luz y un
elemento que posee un período local de red, dispuestos de modo tal
que la difracción de la luz que cae en el elemento sigue
sustancialmente la ley de Bragg para un rango específico de ángulos
de incidencia.
El objetivo del formador de haz de luz
correspondiente a la invención es brindar una mejora decisiva en
relación a la tecnología de fuente de luz cuasi
monocromática descrita arriba y mejorar la eficiencia de una fuente
de luz tal, y presentar los prerrequisitos necesarios para su
producción en masa.
Este objetivo se cumple para el formador de haz
de luz poseedor de las características de la reivindicación 1 y
para el método para producir un formador de haz de luz con las
características de la reivindicación 13.
De acuerdo a la invención, el formador de haz de
luz se presenta para su uso conjunto con una fuente de luz
cuasi monocromática que comprende un elemento de
transmisión. El mencionado elemento de transmisión comprende un
material sustancialmente transparente con un índice. El elemento de
transmisión permite orientar la propagación de luz desde la fuente
de luz con distintas relaciones de geometría de imagen, El elemento
de transmisión comprende patrones de difracción por relieve
superficial al menos en parte binarios, con períodos locales de red
de difracción optimizados en relación a las direcciones
longitudinal y transversal, y en relación a un eje óptico. La
fuente de luz tiene una longitud de onda y el período local de red
de difracción está optimizado sustancialmente de acuerdo con la
geometría de difracción según la ley de Bragg para un rango
específico de ángulos de incidencia para brindar una máxima
eficiencia de difracción al guiar la propagación de la luz, donde
guiar la propagación de la luz comprende al menos una propagación
de rotación, elipsis, colimación, divergencia o convergencia,
donde
- a)
- el elemento de transmisión para guiar la luz posee una geometría de imagen de 1:1 y el formador de haz tiene un perfil de superficie dispuesto de modo difractivo en una superficie tal que la guía de propagación de la luz que tiene un ángulo de incidencia de más de 5º a 30° está implementada al menos parcialmente mediante un patrón de red difractivo de Bragg, o
- b)
- el elemento de transmisión tiene una geometría de imagen diferente de una relación 1:1 y además comprende un lente refractivo, y el formador de haz tiene un perfil de superficie dispuesto en un patrón híbrido tal que la guía de la luz tiene un ángulo de incidencia de menos de 15° a 40°, está implementado mediante un lente refractivo, y la guía de la luz que tiene un ángulo de incidencia de más de 15° a 40° está implementada al menos parcialmente mediante un patrón de red Bragg difractivo, o
- c)
- el elemento de transmisión tiene una geometría de imagen sustancialmente diferente de una relación 1:1 y además comprende una superficie refractiva asférica o esférica que comprende un patrón de red difractivo de Bragg que permite cumplir con la condición de Bragg y lograr una alta eficiencia de difracción, donde el patrón difractivo de relieve superficial del elemento de transmisión está dispuesto en un patrón híbrido.
Los principales beneficios ofrecidos por un
formador de haz de luz correspondiente a la invención incluyen su
estructura ideal, tanto en sentido teórico como en sus aplicaciones
prácticas, por las cuales el formador de haz integrado como un
componente periférico de la fuente de luz puede brindar una máxima
eficiencia teórica, especialmente cuando se aprovecha el efecto
Bragg en el proceso de modelar montajes de elementos de transmisión
que actúan como lentes. Además, el hecho de que la fuente de luz
esté integrada con el formador de haz de luz correspondiente a la
invención permite una producción masiva sumamente efectiva, así
como también sistemas ópticos que desde un punto de vista práctico
son tan simples, efectivos y duraderos como resulta posible,
Mediante la invención también se puede mejorar, por ejemplo, haces
emitidos desde LEDs y láseres de semiconductor de emisión
longitudinal y distribuidos a lo largo de un amplio rango de
ángulos de incidencia y que son difíciles de colimar o constituir
en imagen con una eficiencia suficientemente alta mediante el uso
de elementos ópticos tradicionales.
La invención hace referencia además a un método
para producir un formador de haz, mediante el modelado de un
bloque de impresión plano y/o multiforme y/o una inserción con un
rayo de electrones, una impresora de rayo láser para obtener un
perfil de superficie modelado comprendiendo patrones difractivos de
relieve superficial al menos en parte binarios, con períodos
locales de red de difracción optimizados en relación a las
direcciones longitudinal y transversal, y en relación a un eje
óptico, donde el período local de red de difracción está optimizado
sustancialmente de acuerdo con la geometría de difracción de Bragg
para brindar una máxima eficiencia de difracción al guiar la
propagación de la luz; y producción masiva del formador de haz
usando el bloque de impresión plano y/o multiforme y/o inserción
poniendo en contacto el perfil modelado superficial con un material
sustancialmente transparente para conformar un elemento de
transmisión que permita guiar la propagación de la luz desde una
fuente de luz cuasi monocromática con varias relaciones de
geometría de imagen.
En la siguiente especificación se describirá la
invención en detalle haciendo referencia a los dibujos que
acompañan el texto. Se presentarán:
Figs. 1 a 5 perspectivas asociadas
principalmente a una especificación referente a la aplicación del
efecto Bragg, y
Figs. 6 a 12 varias implementaciones opcionales
preferentes de una fuente de luz cuasi monocromática con un
formador de haz correspondiente a la invención.
La invención hace referencia a un formador de
haz de luz que fue diseñado para ser usado junto con una fuente de
luz cuasi monocromática 1 y que se fabrica a partir de un
material sustancialmente transparente que posee un índice \eta,
como elemento de transmisión 3 que guía la propagación de la luz
por rotación, elipsis, colimación, divergencia, convergencia y/o
para la aplicación semejante de un/os haz/haces R. El mencionado
elemento de transmisión 3 guía la propagación de la luz desde la
fuente de luz 1 con diferentes relaciones de geometría de imagen.
El elemento de transmisión 3 comprende patrones de difracción por
relieve superficial al menos binarios, con períodos locales de red
de difracción d optimizados en relación a las direcciones
longitudinal y transversal, y en relación a un eje óptico. La
fuente de luz 1 tiene una longitud de onda \lambda y el período
local de red de difracción d están optimizados sustancialmente de
acuerdo a la geometría de difracción correspondiente a la ley de
Bragg para un rango específico de ángulos de incidencia \theta
para brindar una máxima eficiencia de difracción al guiar la
propagación de la luz. La mencionada guía de propagación de la luz
comprende al menos una propagación por rotación, elipsis,
colimación, divergencia o convergencia.
El elemento de transmisión 3 para guiar la luz
tiene una geometría de imagen de 1:1 y el formador de haz de luz
tiene un perfil de superficie 3' dispuesto difractivamente sobre
una superficie plana tal que la propagación guiada de la luz R que
tiene un ángulo de incidencia de más de 5° a 30° se implementa al
menos parcialmente mediante un patrón de red difractiva de
Bragg.
Alternativamente, el elemento de transmisión 3
tiene una geometría de imagen ligeramente diferente de una relación
1:1 y comprende además un lente refractivo y el formador de haz
tiene un perfil de superficie 3' dispuesto en un patrón híbrido tal
que la guía de la luz R tiene un ángulo de incidencia de menos de
15° a 40° implementado mediante lente refractivo, y la guía de la
luz R que tiene un ángulo de incidencia de más de 15° a 40° se
implementa al menos parcialmente mediante un patrón de red
difractiva de Bragg.
En otra alternativa el elemento de transmisión 3
tiene una geometría de imagen sustancialmente diferente de una
relación 1:1 y comprende además una superficie refractiva asférica
o esférica que comprende un patrón de red difractiva de Bragg que
permite satisfacer la condición de Bragg y para lograr una alta
eficiencia de difracción, donde el patrón difractario de relieve de
superficie del elemento de transmisión se dispone en un patrón
híbrido.
La siguiente descripción trata los conceptos
básicos para la invención mediante la explicación del efecto Bragg
en relación a las figuras 1 a 5.
La Fig. 1 muestra un elemento puramente
difractivo en una superficie plana, esto es, la geometría de imagen
1:1. La fuente de luz 1 comprende por ejemplo un láser o LED, que
se suministra con una matriz 2 que posee un índice refractivo de n,
un lente difractivo 3, y un núcleo de fibra multimodal 4. Para
lograr la geometría óptica 1:1 se requiere que
- b = a/n
- (1)
y
- n tan \theta_{1} = tan \theta_{2}
- (2)
La lente difractiva tiene un período local de
red d(r) donde r es una distancia desde el eje óptico y que
se determina a partir de una ecuación de red
- sin \theta_{2} = n sin \theta_{1} - \lambda / d(r)
- (3)
donde \lambda representa una
longitud de onda. Por lo tanto, la ecuación 3 ofrece una solución a
un período local en toda
ubicación.
Se sabe, en base a las fuentes: E. Noponen, J.
Turunen y A. Vasara, "Parametric optimization of multilevel
diffractive optical elements by electromagnetic theory" Applied
Optics 31, 5010-5012 (1992) y E. Noponen, J. Turunen
y A. Vasara, "Electromagnetic theory and design of
diffractive-lens arrays", Journal of the Optical
Society of America A 10, 434-443 (1993), que el
perfil óptimo de superficie de un lente difractivo de enfoque o
colimador depende en gran medida de un período local a grandes
ángulos de incidencia y que la fabricación de perfiles multinivel
óptimos para grandes ángulos de incidencia resulta extremadamente
difícil.
Sin embargo se puede en el caso de un lente de
formación de imágenes, particularmente en la geometría 1:1, a
grandes ángulos de incidencia, hacer uso del efecto Bragg, que fue
usado previamente para la codificación binaria de los elementos
difractivos tal como se presenta por ejemplo en la fuente J.
Turunen, P. Blair, J.M. Miller, M.R. Taghizadeh, y E. Noponen,
"Bragg holograms with binary synthetic
sufrace-relief profile", Optic Letters 18,
1022-1024 (1993), pero no en el caso de lentes. En
el caso mencionado arriba, el lente tiene centralmente un patrón
difractivo normal, pero tiene a lo largo de sus bordes patrones
Bragg binarios que fueron optimizados más aún, por ejemplo en la
fuente E. Noponen y J. Turunen, "Binary
high-frequency-carrier diffractive
optical elements: electromagnetic theory", Journal of the
Optical Society of America A 11, 1097-1109
(1994).
La. Fig. 2 representa un típico patrón de red
difractivo (que aparece en las superficies de las Figs. 1, 3 y 4),
modificado de acuerdo con la condición Bragg. Los ángulos
\theta_{1} y \theta_{2}, son los mismos que en la Fig. 1, d
sigue representando un período de red local, c es el ancho de un
pico y h es su altura. Si las condiciones de Bragg
(4)n sin
\theta_{1} = - sin \theta_{2} = \lambda /
2d
se cumplen y el período local de
red cae entre 0,5\lambda d < 2\lambda es posible elegir los
parámetros c y h de modo de obtener una eficiencia de difracción
extremadamente alta para la red. Por lo tanto, en la práctica, la
red Bragg puede usarse, si \theta_{2} >
15°.
Una comparación de las ecuaciones presentadas
arriba (2) y (4) muestra que la condición Bragg 4 sólo se satisface
aproximadamente en la geometría de la Fig. 1. La aproximación es
válida cuando sin \theta_{1} = tan \theta_{1} y sin
\theta_{2} = tan \theta_{2} (es decir, aparece el error
especialmente en ángulos de incidencia grandes). Sin embargo, la
condición Bragg no precisa ser exactamente válida para que la red
funcione a un alto nivel de eficiencia (ver la fuente citada arriba
E. Noponen y J. Turunen). Además, es posible desviarse ligeramente
de la geometría 1:1, de modo tal que la condición de Bragg se
satisface óptimamente a un ángulo de incidencia \theta_{max},
a través del cual la distribución de intensidad alcanza sus valores
más altos.
Por lo tanto, en lugar de la ecuación (1), el
resultado es
(5)b = a \
\frac{(1 - n^{2} \ sin^{2} \ \theta_{max})^{1/2}}{n \ cos \
\theta_{max}}
Como alternativa, \theta_{max} puede
reemplazarse con un ángulo de incidencia diferente de cero, que
depende de la forma de distribución de intensidad y que se elige en
vista de la maximización de la eficiencia general de
difracción.
En principio, la lente de la Fig. 1 puede
modificarse incluyendo un lente refractivo en el área central,
mientras que se usa un lente difractivo solo a ángulos de
incidencia de más de 30 grados a lo largo de los cuales la red de
Bragg tiene una alta eficiencia. La Fig. 3 ilustra una estructura
así; un haz R1 avanza mediante la superficie refractiva y un haz R2
mediante la superficie difractiva. La solución tiene sentido para
un RC-LED pero no tanto así para un láser, pues el
límite entre las secciones refractiva y difractiva causa problemas
en un campo espacialmente coherente.
La Fig. 4 muestra una condición con una
geometría de imagen considerablemente diferente de la geometría 1:1
(es decir, se ubicó la fibra más lejos del lente, donde la luz
puede captarse o conectarse dentro de una fibra con una apertura
numérica más pequeña). En esta vista, la superficie refractiva del
lente híbrido tiene un patrón difractivo. La razón para emplear un
montaje híbrido es que el ángulo \theta_{2} en II en la Fig. 4
ahora es más pequeño que en la Fig. 1, pero la condición de Bragg
aún debe cumplirse para obtener una eficiencia alta. Esto se logra
cuando la estructura binaria de la Fig. 2 se implementa en una
superficie convenientemente curvada, es decir, se rota la geometría
de modo tal que los picos de la red de Bragg tengan paredes
verticales que están localmente perpendiculares u ortogonales a la
superficie curva. Puede calcularse el contorno de superficie óptimo
y el resultado es una superficie casi, aunque no completamente,
asférica. Después de esto, se necesita determinar el período local
de un lente como una función espacial, lo que puede solucionarse
también en base a lo descrito arriba. La curvatura de la superficie
es bastante insignificante en comparación con el uso de una
superficie puramente refractiva, lo que significa que las pérdidas
de Fresnel ya están notablemente reducidas. También se puede en
este caso usar una solución puramente refractiva en el área central
de un lente, tal como se muestra en la Fig. 3.
La Fig. 5 ilustra una situación en la que un
sistema de lente 3 hace divergir haces de luz (es decir, el ángulo
de incidencia de un haz en el sistema del lente es menor que su
ángulo de salida).
Por otra parte, se busca con un formador de haz
correspondiente a la invención enviar un campo de radiación
producido especialmente por un componente semiconductor óptico, tal
como por ejemplo un RC-LED o un VCSEL 1, para
colimación, conformación de forma en un campo lejano, y
alimentación por ejemplo en una fibra óptica mediante un elemento
difractivo o híbrido. Este tipo de elemento puede ser por ejemplo
moldeable directamente alrededor o por encima de un
RC-LED o un VCSEL de modo de envolver
herméticamente el elemento discutido al mismo tiempo.
A continuación se presenta un análisis más
específico vinculado a los fundamentos básicos de la invención, En
una primera aproximación (que probablemente resulta suficiente para
aplicaciones industriales como tales), la. siguiente hipótesis
puede efectuarse en base a la teoría de la coherencia:
- 1.
- La región activa ubicada entre una fuente de luz y una estructura de Bragg es infinitamente fina y, por lo tanto, puede ser considerada como una fuente planar o plana.
- 2.
- Todo punto en el área activa funciona como una fuente para un haz Bessel-Gauss totalmente coherente (es decir, el haz producido por un VCSEL con un patrón idéntico).
- 3.
- Puede asumirse la fuente como globalmente incoherente (cuasi homogénea), donde los rayos Bessel-Gauss coherentes emitidos desde sus varios puntos interfieren en un modo casi destructivo.
En base a estas hipótesis se puede concebir la
elaboración de una teoría referente a la propagación de campos de
radiación parcialmente coherentes producidos por un componente
semiconductor óptico, que a su vez permite el diseño óptimo de
elementos ópticos en base a una hipótesis de que un campo de
radiación es aproximadamente una onda cónica coherente.
Suponiendo que el campo irradiante de un
componente semiconductor óptico pueda ser modelado por un campo
Bessel-Gauss parcialmente coherente, resulta
bastante fácil diseñar elementos difractivos producibles para una
superficie plana, donde estos campos puedan ser colimados, sus
distribuciones de difracción de campo lejano pueden acondicionarse
para alcanzar una distribución de intensidad deseada, o la potencia
óptica de estos puede conducirse, por ejemplo, dentro de una fibra
óptica. Es poco probable que las propiedades espaciales exactas de
una fuente tengan algún efecto importante sobre la creación de un
modelo teórico.
Primero se examina la conexión de luz desde una
fuente de luz a una fibra óptica multimodal, un buen ejemplo de lo
cual lo constituyen las fibras plásticas.
Si el campo de radiación de una fuente de luz
tiene una apertura numérica menor o igual en tamaño que la apertura
numérica de una fibra y la región emisora de una fuente de luz
tiene un diámetro menor o igual al diámetro de un núcleo de fibra,
la conexión de la luz a la fibra es tan simple como es posible. El
uso de un lente 1:1 será suficiente. Este lente puede implementarse
de modo difractivo en una superficie plana (es decir, en la
superficie superior de una matriz cilíndrica moldeada alrededor de
la fuente de luz), por ejemplo del siguiente modo: el lente
comprende en su parte central un lente convencional
micro-Fresnel, es decir, su perfil es continuo. A
grandes ángulos de incidencia, a través de los cuales la potencia
de salida óptica de una fuente de luz está en su máximo, la
eficiencia de difracción de este tipo de lentes es pobre incluso
teóricamente y la tecnología de fabricación disponible ni siquiera
permite el logro de límites teóricos. Por otra parte, la invención
permite el uso de estructuras o patrones binarios, que tienen una
excelente eficiencia (tanto como 97-98%) en el
ángulo de incidencia Bragg y cuya fabricación también resulta
posible con tecnología moderna, incluso cuando el período de red
local esté en el mismo orden que la longitud de onda de la luz. El
lente puede fabricarse de modo estándar con litografía de rayo de
electrones sobre una resina, seguido por la creación de un
separador de níquel que puede usarse en un molde de fundición.
Si la geometría de imagen es diferente de 1:1,
la situación será un poco más complicada. Este es el caso cuando
la apertura numérica de una fibra es más pequeña que la del campo
de radiación de una fuente de luz, y especialmente cuando el haz
debe colimarse en lugar de estar conectado a la fibra. En esta
ocasión, el cumplimiento de la condición de Bragg (que es una
precondición para una alta eficiencia en un lente binario) requiere
la curvatura o deflexión de una superficie, en la cual se encuentra
el patrón de difracción. Por lo tanto, el patrón de difracción se
fabrica sobre una superficie asférica refractiva, es decir, la
cuestión se refiere a una estructura híbrida (que sin embargo se
implementa por razones totalmente diferentes de las soluciones que
se encuentran disponibles actualmente). De acuerdo al conocimiento
actual, la curvatura de la superficie es bastante insignificante en
comparación con la curvatura de una superficie puramente
refractiva, a través de la cual puede implementarse la fabricación
de un patrón difractivo, por ejemplo, del modo siguiente: fabricando
primero un elemento maestro en una resina, luego fabricando un
separador de silicona flexible a lo largo de una superficie
esférica producida por rotación de diamante (incluso el uso de una
superficie esférica puede bastar para aplicaciones industriales),
después de lo cual la estructura puede reproducirse, por ejemplo
como un separador de níquel adecuado para su uso en un molde de
fundición.
Por lo tanto, la técnica descrita arriba resulta
aplicable cuando el lado de la imagen tiene una apertura numérica
mayor (o más pequeña) que la del lado del objeto. Otra limitación a
tener en cuenta en relación a una conexión de fibra es que la
fuente de luz particular es una fuente sustancialmente incoherente
y, por lo tanto, una imagen de su región activa debe caber dentro
del diámetro del núcleo de la fibra. Por lo tanto, el aumento
requerido en la formación de imágenes no puede ser arbitrariamente
grande. La misma tecnología se aplica también a la colimación de la
luz, en cuyo caso el radio de curvatura de una superficie alcanza
su valor máximo.
Por otra parte, si resulta deseable instrumentar
o conformar un haz colimado en términos de su patrón de difracción
de campo lejano, por ejemplo para brindar una parte superior plana
rectangular, esto puede implementarse también de un modo
básicamente simple, por ejemplo mediante la alteración del período
local de un patrón de difracción como una función espacial para un
suministro controlado de aberración al campo.
En relación a lo anterior y en una aplicación
preferida de la invención, un formador de haz, que tiene su
elemento de transmisión 3 para guiar haces de luz, que posee una
geometría de formación de imágenes de 1:1, tiene un perfil de
superficie 3' dispuesto sobre una superficie plana difractivamente
de modo tal que la guía de un/os haz/haces de luz R, que tiene/n un
ángulo de incidencia de más de 5º-30°, preferentemente 15º, se
implementa mediante un patrón de red difractiva de Bragg.
En otra aplicación preferida, un formador de haz
de luz, un elemento de transmisión 3 para guiar haces de luz
incluye una geometría de formación de imágenes levemente diferente
de la relación 1:1. En este caso el formador de haz tiene su perfil
de superficie 3' dispuesto en un patrón híbrido de modo tal que la
guía de un/os haz/haces de luz R, que tiene/n un ángulo de
incidencia de menos de 15°-40º, preferentemente 30º, se implementa
mediante un lente refractivo, y también en el caso de un/os
haz/haces de luz R, que tiene/n un ángulo de incidencia de más de
15º-40°, preferentemente 30º, respectivamente mediante un patrón de
red de difracción de Bragg.
En otra aplicación preferida de un formador de
haz de luz, un elemento de transmisión 3 para guiar haces de luz
incluye una geometría de formación de imágenes sustancialmente
diferente de la relación 1:1. En este caso el formador de haz tiene
su perfil de superficie 3' dispuesto en un patrón híbrido de modo
tal que se establece un patrón de red de Bragg en una superficie
refractiva asférica o esférica para cumplir con la condición de
Bragg y para lograr una alta eficiencia de difracción.
Y en otra aplicación preferida, el formador de
haz de luz se dispone directamente sobre la superficie de una
fuente de luz 1 y/o alrededor de esta en una estructura integrada,
por ejemplo, en base a los fundamentos presentados en las Figs.
6-8, con el fin de constituir al mismo tiempo una
matriz de protección que recubra al menos parcialmente la fuente de
luz 1.
Y en aún otra aplicación preferida, el formador
de haz de luz está integrado con la fuente de luz cuasi
monocromática de otro modo alternativo dispuesto mediante fijación
mecánica y/o adhesión química, como por ejemplo mediante un fijador
de tipo "nanomer" con brillo óptico y/o otros semejantes, en
contacto con una fuente de luz 1. sobre su superficie y/o alrededor
de la misma, como un elemento separado, como por ejemplo una fina
película, un recubrimiento, un lente o semejante, de modo de
constituir una matriz de protección que recubre la fuente de luz 1,
al menos parcialmente, por ejemplo en base a los principios
ilustrados en las Figs. 9-11.
En otra aplicación preferida, el formador de haz
de luz, integrado con la fuente de luz cuasi monocromática,
fue diseñado particularmente para formar campos de radiación y
distribuciones de intensidad de una o más fuentes de luz 1
individuales, tales como un LED, un LED orgánico, un LED de cavidad
de resonancia (RC-LED), un láser de cavidad
vertical (VCSEL), algún otro diodo semiconductor y/o láser y/o
semejante. Otra fuente de luz a considerar comprende fibras ópticas
(por ejemplo, redes de comunicación) en cuyos conectores/interfaces
de sección pueda incluirse un formador de haz de luz
correspondiente a la invención como un elemento separado o
integrado en una estructura.
Por otra parte, en una solución alternativa, el
formador de haz de luz está pensado particularmente para darle
forma a los campos de radiación y distribuciones de intensidad de
dos o más fuentes de luz 1 o por ejemplo una matriz de fuente de
luz 1' mostrada en la Fig. 12 tal como una matriz de LED y láser
y/o semejantes.
En un modo de realización preferido, el formador
de haz de luz se fabrica a partir de un material esencialmente
claro ópticamente tal como "nanomer", polímero, elastómero, o
un material cerámico y/o similar, que se comporte como composición
3 aislante y eléctricamente no conductiva, cuya viscosidad haya
sido optimizada para cumplir con los requerimientos de un proceso
de fabricación aplicado.
Y en otra solución alternativa más, el formador
de haz de luz se fabrica 10 a partir de uno o más materiales
esencialmente claros ópticamente, tales como "nanomer",
polímero, elastómero, o un material similar, para lograr una
composición que sea al menos parcialmente conductiva eléctrica y/o
térmicamente para brindar varias cualidades adicionales, tal como
su utilidad para mejorar la densidad/intensidad óptica estándar de
una fuente de luz 1, para la difracción de un haz de luz, para
calentar un elemento y/o para aplicaciones similares.
En otra aplicación preferida, la producción en
masa de un formador de haz de luz, tal como moldeado por inyección,
moldeado por inyección y reacción, fundición, estampado por calor,
proyección/pulverización, revestimiento, impresión al
tamiz/serigrafía y/o semejantes, se implementa mediante el uso de
un bloque de impresión plano y/o poligonal o multiforme y/o
inserción, que se modela mediante un rayo de electrones, una
impresora de rayo láser y/o semejante para generar un perfil
modelado de superficie 3'' que se replica en contacto con un
artículo a ser fabricado.
Es obvio que la invención no se limita a las
realizaciones reveladas o descritas arriba, y puede modificarse en
una variedad de modos dentro del concepto fundamental de la
invención. Además, pueden usarse soluciones estructurales de la
invención, por ejemplo en los siguientes casos:
- -
- fuentes/transmisores de impulsos para redes de comunicación de alcance cercano y medio (por ejemplo RC-LEDs, VCSELs)
- -
- fuentes/transmisores de señales y alarmas (por ejemplo luces parpadeantes LED)
- -
- fuentes/transmisores informativos (por ejemplo carteles de orientación)
- -
- fuentes/transmisores de luz (por ejemplo, lámparas LED/láser)
- -
- matrices de fuentes de luz (por ejemplo pantallas LED), componentes optoelectrónicos (por ejemplo células CCD integradas)
Claims (10)
1. Sistema que comprende un formador de haz de
luz y una fuente de luz cuasi monocromática (1), el
mencionado formador de haz de luz comprende un elemento de
transmisión (3) que comprende un material sustancialmente
transparente que posee un índice (\eta), el elemento de
transmisión (3) permite guiar la propagación de luz desde la fuente
de luz (1) con distintas relaciones de geometría de imágenes, el
elemento de transmisión (3) comprende patrones de difracción de
relieve de superficie al menos binarios, con períodos de red local
(d) optimizados en relación a las direcciones longitudinal y
transversal, y con respecto a un eje óptico, en que la fuente de
luz (1) tiene una longitud de onda (\lambda) y el período de red
local (d) están optimizados sustancialmente de acuerdo con la
geometría de difracción según la ley de Bragg para un rango
específico de ángulos de incidencia (\theta) para brindar una
máxima eficiencia de difracción al guiar la propagación de la luz,
donde guiar la propagación de la luz comprende al menos rotación,
elipsis, colimación, divergencia o convergencia, donde
- a)
- el elemento de transmisión (3) para guiar la luz tiene una geometría de imagen de 1:1 y el formador de haz de luz tiene un perfil de superficie (3') dispuesto difractivamente en una superficie plana, y el mencionado perfil de superficie (3') tiene en su parte central un patrón difractivo y en los bordes al menos parcialmente un patrón difractivo de Bragg para guiar la propagación de la luz (R) con un ángulo de incidencia de más de 15°.
- b)
- el elemento de transmisión (3) tiene una geometría de imagen de una relación sustancialmente equivalente a 1:1 y además comprende un lente refractivo en el área central y el formador de haz de luz tiene un perfil de superficie (3') dispuesto en un patrón híbrido tal que la guía de la luz (R) tiene un ángulo de incidencia de menos que un ángulo del rango entre 15º y 40º, preferentemente 30°, se implementa mediante un lente refractivo, y la guía de la luz (R) tiene un ángulo de incidencia mayor que el valor de un ángulo ubicado en el rango entre 15º y 40º, preferentemente 30°, se implementa al menos parcialmente mediante un patrón de red difractivo de Bragg, o
- c)
- el elemento de transmisión (3) tiene una geometría de imagen sustancialmente diferente de una relación 1:1 y además comprende una superficie refractiva asférica o esférica que comprende un patrón difractivo de Bragg que posee paredes verticales perpendiculares localmente a la superficie curva, que permite satisfacer la condición de Bragg y lograr una alta eficiencia de difracción, donde el patrón de difracción de relieve de superficie del elemento de transmisión está dispuesto en un patrón híbrido.
2. El sistema correspondiente a la
reivindicación 1, caracterizado por una disposición
directamente por encima y/o alrededor de una superficie de la
fuente de luz (1) en una estructura integrada, de modo tal de
constituir una matriz de protección que al menos parcialmente
envuelve la fuente de luz (1).
3. El sistema correspondiente a la
reivindicación 2, caracterizado en que además comprende: una
fijación mecánica y/o adhesión química para interconectar el
formador de haz de luz y la fuente de luz cuasi
monocromática (1), de modo tal que el formador de haz de luz
constituye una matriz de protección que envuelve al menos
parcialmente la fuente de luz (1).
4. El sistema correspondiente a la
reivindicación 3, caracterizado en que la fijación mecánica
y/o adhesión química comprende un fijador de tipo "nanomer"
ópticamente claro.
5. El sistema correspondiente a las
reivindicaciones 3 o 4, caracterizado en que la fijación
mecánica y/o adhesión química comprende un elemento separado que
constituye una matriz de protección que envuelve al menos
parcialmente la fuente de luz, donde el elemento separado comprende
una película delgada, una recubrimiento o un lente.
6. El sistema correspondiente a las
reivindicaciones 2 a 5, caracterizado en que comprende una o
más fuentes de luz individuales (1), tal como un LED, un LED
orgánico, un LED de cavidad de resonancia (RC-LED),
un láser de cavidad vertical (VCSEL), algún otro diodo
semiconductor y/o semejantes.
7. El sistema correspondiente a la
reivindicación 6, caracterizado por comprender dos o más
fuentes de luz (1) o por ejemplo una matriz de fuentes de luz (1'),
tal como una matriz de LED y láser y/o semejantes.
8. El sistema correspondiente a cualquiera. de
las reivindicaciones precedentes, caracterizado por la
fabricación a partir de un material ópticamente esencialmente claro,
tal como "nanomer", polímero, elastómero, un material cerámico
y/o similar, que actúa como compuesto aislante y eléctricamente no
conductivo (3), con su viscosidad optimizada para cumplir con los
requerimientos de un proceso de fabricación aplicado.
9. El sistema correspondiente a cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por la fabricación
a partir de uno o más materiales ópticamente esencialmente
brillante, tal como "nanomer", polímero, elastómero o
semejante, para lograr un compuesto (3'') que es al menos
parcialmente conductivo eléctrica y térmicamente para ofrecer
varias cualidades adicionales, tales como mejorar la
densidad/intensidad óptica estándar de la fuente de luz (1), para
la difracción del haz de luz, para calentar un elemento y/o otras
aplicaciones similares.
10. Un método para la producción de un formador
de haz de luz del sistema correspondiente a cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado por el
modelamiento de un bloque de impresión y/o inserción plano y/o
multiforme con un rayo de electrones, una impresora de rayo láser
para conseguir un perfil modelado de superficie que comprende
patrones de difracción de relieve de superficie al menos
parcialmente binarios, con períodos de red local optimizados con
respecto a las direcciones longitudinal y transversal, y con
respecto a un eje óptico, donde el período de red local está
optimizado sustancialmente según la geometría de difracción de
Bragg para brindar una máxima eficiencia de difracción al guiar la
propagación de la luz; y producción masiva del formador de haz de
luz utilizando el bloque de impresión y/o inserción plano y/o
multiforme poniendo en contacto el perfil modelado de superficie
con un material sustancialmente transparente par conformar un
elemento de transmisión que permite guiar la propagación de luz
desde una fuente de luz cuasi monocromática con diferentes
relaciones de geometría de imagen.
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