ES2311315A1 - Diffactive lens of fibonacci. (Machine-translation by Google Translate, not legally binding) - Google Patents
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Abstract
Description
Lente difractiva de Fibonacci.Fibonacci diffractive lens.
La presente invención se refiere, en general, a una lente difractiva basada en una placa zonal de Fresnel, diseñada para lograr un desdoblamiento de sus focos.The present invention relates, in general, to a diffractive lens based on a Fresnel zone plate, designed to achieve a doubling of its foci.
Son ampliamente conocidas las lentes difractivas denominadas placas zonales de Fresnel (PZF). A diferencia de las lentes refractivas, las referidas placas zonales de Fresnel (PZFs) se utilizan para focalizar la radiación y para formar imágenes por difracción en diferentes áreas de la ciencia y la tecnología como, por ejemplo, en oftalmología (lentes difractivas de contacto o intraoculares), en microscopia de rayos X (para la focalización de haces de rayos X), etc.Diffractive lenses are widely known. called Fresnel zonal plates (PZF). Unlike the refractive lenses, the referred Fresnel zonal plates (PZFs) they are used to focus radiation and to form images by diffraction in different areas of science and technology such as, for example, in ophthalmology (diffractive contact lenses or intraocular), in X-ray microscopy (for the targeting of X-ray beams), etc.
Las PZFs binarias de amplitud están constituidas por una serie de zonas anulares concéntricas alternativamente transparentes y opacas a la luz incidente. Cada par de zonas anulares, una opaca y una transparente, constituye un período. Las referidas lentes se caracterizan porque en ellas el área de todos los períodos es el mismo.Binary amplitude PZFs are constituted by a series of concentric annular zones alternately transparent and opaque to incident light. Each pair of zones annular, an opaque and a transparent, constitutes a period. The referred lenses are characterized because in them the area of all The periods is the same.
También existen PZFs binarias de fase donde ambas zonas anulares en cada período son transparentes pero tienen una diferencia de fase entre ellas.There are also phase binary PZFs where both annular zones in each period are transparent but have a phase difference between them.
Independientemente de si son de amplitud o fase, este tipo de lentes difractivas pueden actuar al mismo tiempo como lentes positivas y negativas.Regardless of whether they are amplitude or phase, This type of diffractive lens can act at the same time as positive and negative lenses.
Las distancias focales de una PZF vienen dadas por la siguiente fórmula:The focal distances of a PZF are given by the following formula:
[1]f_{n} = r_{1}{}^{2}/2n\lambda[1] f_ {n} = r_ {1} {} 2 / 2n \ lambda
donde r_{1} es el radio interno de la primera zona anular, \lambda es la longitud de onda incidente y n es un número entero diferente de cero.where r_ {1} is the internal radius of the first annular zone, λ is the wavelength incident and n is a different integer from zero.
El reparto energético entre los diferentes focos de una PZF puede modificarse si en lugar de ser binarias (esto es con una transición abrupta entre las zonas), la transición entre las zonas adyacentes se hace de forma gradual, bien linealmente o con otro perfil determinado.The energy distribution between the different foci of a PZF can be modified if instead of being binary (this is with an abrupt transition between zones), the transition between adjacent areas are done gradually, either linearly or With another specific profile.
Eligiendo un perfil adecuado se han diseñado placas zonales con un determinado reparto energético entre sus focos, consiguiéndose de este modo lentes difractivas unifocales, bifocales, etc.Choosing a suitable profile have been designed zonal plates with a certain energy distribution between their foci, thus achieving unifocal diffractive lenses, bifocals, etc.
Las PZFs más comunes de este último tipo son las placas de zonales kinoform o blazé, diseñadas para ser esencialmente unifocales.The most common PZFs of the latter type are the kinoform or blazé zonal plates, designed to be essentially unifocal.
Sin embargo, el uso de las PZFs como lentes difractivas bifocales o en general, multifocales es muy limitado puesto que las posiciones de los focos prefijadas por la fórmula [1] permiten muy poca flexibilidad de diseño.However, the use of PZFs as lenses Bifocal diffractive or in general, multifocal is very limited since the positions of the spotlights preset by the formula [1] allow very little design flexibility.
Por tanto, se hace necesario desarrollar un lente difractiva, diferente de la de una PZF, que actúe de modo más ventajoso como lente bifocal.Therefore, it is necessary to develop a diffractive lens, different from that of a PZF, that acts more advantageous as a bifocal lens.
La presente invención busca resolver o reducir uno o más de los inconvenientes expuestos anteriormente, mediante una lente difractiva que comprende una sucesión de zonas anulares concéntricas distribuidas de modo no periódico, siguiendo una secuencia matemática de Fibonacci de N elementos. De acuerdo con dicha secuencia, en cada zona anular se elige una transmitancia entre dos posibles. Esta transmitancia puede contener variaciones de amplitud y/o de fase.The present invention seeks to solve or reduce one or more of the drawbacks set forth above, by a diffractive lens comprising a succession of annular zones concentric distributed non-periodically, following a Fibonacci mathematical sequence of N elements. In accordance with said sequence, in each annular zone a transmittance is chosen between two possible. This transmittance may contain variations of amplitude and / or phase.
Otro objeto de la invención es suministrar una lente difractiva multifocal, construida de manera análoga a una PZF convencional, pero que presenta un desdoblamiento de cada uno de sus focos.Another object of the invention is to provide a multifocal diffractive lens, built analogously to a PZF conventional, but that presents a doubling of each of Your spotlights
Aún otro objeto de la invención es suministrar un conjunto de parámetros de construcción para estas lentes difractivas que permiten una gran versatilidad en el diseño de las mismas, obteniéndose distintas distancias focales y respuestas impulsionales.Still another object of the invention is to provide a set of construction parameters for these lenses diffractives that allow great versatility in the design of same, obtaining different focal distances and responses impulsive.
Todavía otro objeto de la invención es una lente difractiva utilizable en todas las regiones del espectro electromagnético, incluido el espectro visible, las microondas y los rayos X.Still another object of the invention is a lens. diffractive usable in all regions of the spectrum electromagnetic, including visible spectrum, microwaves and X-rays.
Una explicación más detallada de la invención se da en la siguiente descripción basada en las figuras adjuntas en las que:A more detailed explanation of the invention is given in the following description based on the figures attached in which:
la figura 1a muestra la construcción de una secuencia binaria de Fibonacci de dos elementos, a partir de un módulo de longitud d_{s} que puede tomar los valores cero (negro) o uno (blanco), de modo que el termino S de la secuencia de Fibonacci binaria se construye de forma recursiva, yuxtaponiendo en cada paso las dos estructuras precedentes de acuerdo a la invención,Figure 1a shows the construction of a Fibonacci binary sequence of two elements, from a module of length d_ {s} that can take zero values (black) or one (white), so that the term S of the sequence of Binary Fibonacci is built recursively, juxtaposing in each step the two preceding structures according to the invention,
la figura 1b muestra en una vista en planta la lente difractiva resultante al representar una secuencia de Fibonacci de orden S=7 sobre la coordenada r = \sqrt{x} y hacerla girar sobre su extremo izquierdo de acuerdo a la invención, yFigure 1b shows in a plan view the resulting diffractive lens when representing a sequence of Fibonacci of order S = 7 on the coordinate r = \ sqrt {x} and make it rotate on its left end according to the invention, and
la figura 2 muestra el valor de las intensidades que se obtienen a lo largo del eje óptico, normalizadas en cada caso a su valor máximo. Los máximos en cada gráfica representan los focos; en la parte inferior de la figura se muestran las intensidades obtenidas con las PZFs equivalentes y en la parte superior las intensidades obtenidas por lentes difractivas de Fibonacci generadas a partir de secuencias de diferente orden S de acuerdo a la invención.Figure 2 shows the value of the intensities which are obtained along the optical axis, normalized in each case at its maximum value. The maximums in each graph represent the spotlights; the lower part of the figure shows the intensities obtained with the equivalent PZFs and in the part higher the intensities obtained by diffractive lenses of Fibonacci generated from sequences of different order S of according to the invention.
A continuación, con referencia a las figuras 1a y 1b, se ilustra una lente difractiva que comprende varias zonas anulares concéntricas, es decir, en cada placa zonal hay una secuencia de zonas anulares yuxtapuestas, unas opacas y otras transparentes, de modo que todas las zonas opacas tienen la misma área e igual ocurre para las transparentes. La yuxtaposición de las zonas anulares se realiza siguiendo una ley de recurrencia basada en una secuencia de Fibonacci binaria y de dos elementos.Next, with reference to figures 1a and 1b, a diffractive lens comprising several zones is illustrated concentric rings, that is, in each zone plate there is a sequence of juxtaposed annular zones, some opaque and others transparent, so that all opaque areas have the same area and the same happens for the transparent ones. The juxtaposition of Annular zones are performed following a recurrence law based in a sequence of binary Fibonacci and two elements.
En la secuencia de Fibonacci binaria, a partir de los elementos F_{0} y F_{1} se define el elemento de orden S+1 de la lista, de forma recursiva, como la composición de las dos secuencias consecutivas anteriores, esto es: F_{S+1} = {F_{S}, F_{S-1}} para S \geq 1. Por ejemplo, en la figura 1a, si como elementos binarios se toman los elementos F_{0} = {0} F_{1} = {1}, las sucesivas secuencias resultan: F_{2} = {1,0}, F_{3} = {1,0,1}, etc.In the binary Fibonacci sequence, starting of the elements F_ {0} and F_ {1} the order element is defined S + 1 of the list, recursively, as the composition of the two previous consecutive sequences, that is: F_ {S + 1} = {F_ {S}, F_ {S-1}} for S \ geq 1. For example, in the Figure 1a, if the elements are taken as binary elements F_ {0} = {0} F_ {1} = {1}, the successive sequences are: F 2 = {1,0}, F 3 = {1,0,1}, etc.
Si asociamos cada 0 de la secuencia a una zona anular opaca y cada 1 a una zona transparente, la superposición de todos los anillos resultantes genera la lente difractiva objeto de la presente invención, mostrada en la figura 1b, que de ahora en adelante denominaremos lente difractiva de Fibonacci binaria de amplitud.If we associate every 0 of the sequence to a zone Opaque annular and every 1 to a transparent area, overlapping all the resulting rings generate the diffractive lens object of the present invention, shown in figure 1b, which from now on later we will call binary Fibonacci diffractive lens of amplitude.
Matemáticamente, la técnica de construcción de estas lentes difractivas de Fibonacci puede describirse suponiendo que cada elemento de la secuencia mostrada en la figura 1 a representa el perfil radial de la lente difractiva de Fibonacci correspondiente, expresado en la coordenada radial al cuadrado (r^{2}). Esto es, la función binaria que representa el perfil de las zonas anulares concéntricas que forman la lente difractiva, evaluados a lo largo de la coordenada radial elevada al cuadrado, sigue una secuencia de Fibonacci. Esto implica que la estructura a lo largo de esta coordenada es no periódica. En la figura 1b, se muestra la lente difractiva de Fibonacci obtenida a partir de la secuencia correspondiente a S=7, representando la estructura en r^{2} y haciéndola girar alrededor de su extremo izquierdo.Mathematically, the construction technique of these fibonacci diffractive lenses can be described assuming that each element of the sequence shown in figure 1 a represents the radial profile of the Fibonacci diffractive lens corresponding, expressed in the square radial coordinate (r 2). That is, the binary function that represents the profile of the concentric annular zones that form the diffractive lens, evaluated along the radial coordinate squared, It follows a Fibonacci sequence. This implies that the structure to Along this coordinate is non-periodic. In Figure 1b, it shows the Fibonacci diffractive lens obtained from the sequence corresponding to S = 7, representing the structure in R2 and rotating it around its left end.
A diferencia de lo que ocurre con una PZF, en una lente difractiva de Fibonacci binaria de amplitud puede haber dos o más zonas anulares adyacentes que sean transparentes u opacas, de manera que el área de cada zona anular efectiva puede ser diferente al área de la zona anular anterior.Unlike what happens with a PZF, in a binary Fibonacci diffractive lens of amplitude may have two or more adjacent annular zones that are transparent or opaque, so that the area of each effective annular zone can be different from the area of the anterior annular zone.
La lente difractiva diseñada de acuerdo con la sucesión de zonas anulares concéntricas descrita anteriormente presenta propiedades de bi-focalización cuando es iluminada por una onda plana monocromática, en el sentido de que consigue un desdoblamiento de cada uno de los múltiples focos que se obtendrían con la PZF equivalente construida de modo análogo al representado en la Fig. la pero con zonas alternas transparentes y opacas.The diffractive lens designed in accordance with the succession of concentric annular zones described above it presents bi-targeting properties when it is illuminated by a flat monochromatic wave, in the sense that get a split of each of the multiple foci that would be obtained with the equivalent PZF constructed in a manner analogous to shown in Fig. la but with transparent alternate areas and opaque
La manera más instructiva de ver estas propiedades de bi-focalización de la lente objeto de la invención es compararlas con las prestaciones de una PZF equivalente. Utilizando la teoría de la difracción puede calcularse la distribución de intensidades (I) a lo largo del eje óptico, lo que proporciona la forma y distribución de los focos.The most instructive way to see these bi-focusing properties of the object lens of the invention is to compare them with the performance of a PZF equivalent. Using diffraction theory can be calculated the distribution of intensities (I) along the optical axis, what which provides the shape and distribution of the foci.
En la figura 2 se han representado estas intensidades para distintos órdenes S de la secuencia de Fibonacci binaria, tanto para las PZFs equivalentes (en la parte inferior) como para las placas zonales de Fibonacci binarias de amplitud (en la parte superior de la figura).In figure 2 these have been represented intensities for different S orders of the Fibonacci sequence binary, for both equivalent PZFs (at the bottom) as for the binary Fibonacci zone plates of amplitude (in the upper part of the figure).
Para su mejor comparación, en ambos casos se han representado magnitudes normalizadas en el eje vertical, y z/f_{1} en el eje horizontal, donde z es la coordenada axial medida desde la lente y f_{1} la distancia focal principal (n=1 en la fórmula 1) para la PZF equivalente. En la figura 2 únicamente se muestra la región en torno al primer foco.For your best comparison, in both cases you have represented normalized magnitudes on the vertical axis, and z / f_ {1} on the horizontal axis, where z is the axial coordinate measured from the lens and f_ {1} the main focal length (n = 1 in Formula 1) for the equivalent PZF. In figure 2 only shows the region around the first focus.
En el cálculo, el diámetro externo de las placas zonales se ha mantenido constante, variándose la escala de la estructura interna para cada término S de la secuencia de Fibonacci considerada, obteniéndose en cada caso placas zonales de distintas distancias focales. Desde este punto de vista, el valor del orden S constituye un parámetro que proporciona una gran versatilidad en el de diseño para este tipo de lentes.In the calculation, the outer diameter of the plates zonal has remained constant, varying the scale of the internal structure for each S term of the Fibonacci sequence considered, obtaining in each case zonal plates of different focal distances From this point of view, the value of the order S It constitutes a parameter that provides great versatility in the of design for this type of lenses.
Es claro de la figura 2 que los máximos principales correspondientes a los focos de la PZF se desdoblan al utilizar en su lugar la placa zonal de Fibonacci correspondiente.It is clear from Figure 2 that the maximums main corresponding to the foci of the PZF unfold at use the Fibonacci zone plate instead correspondent.
Una característica importante en el diseño de una placa zonal generada por la secuencia de Fibonacci de orden S es que la localización axial de los dos máximos en los que se desdobla cada foco puede predecirse exactamente, ya que depende de los números de Fibonacci F_{S} y F_{S-1}. Esos números se definen a partir de una secuencia de Fibonacci de dos elementos tomando como elementos iniciales F_{0} = 0 y F_{1} = 1 y usando como ley de composición la suma algebraica de dos elementos consecutivos. Así, la serie resultaAn important feature in the design of a zonal plate generated by the Fibonacci sequence of order S is that the axial location of the two maxima in which unfolds each focus can be predicted exactly, since it depends on Fibonacci numbers F_ {S} and F_ {S-1}. Those numbers are defined from a Fibonacci sequence of two elements taking as initial elements F_ {0} = 0 and F_ {1} = 1 and using as composition law the algebraic sum of two consecutive elements. Thus, the series turns out
\{F_{n}\} = \{0,1,1,2,3,5,8,13,21,...\}.\ {F_ {n} \} = {0,1,1,2,3,5,8,13,21, ... \}.
En efecto, si consideramos que la lente difractiva de Fibonacci tiene un radio a y orden S y se ilumina con un haz de luz plano y monocromático de longitud de onda \lambda, a medida que S aumenta uno de los máximos tiende hacia la posición axial, medida desde la lente, z_{1} = 2 F_{S-1} \lambda/a^{2}, y el otro hacia z_{2} = 2 F_{S} \lambda/a^{2}. De este modo, se satisface la siguiente relación z_{2}/z_{1} = F_{S}/F_{S-1}, que para valores grandes de S conduce aIndeed, if we consider the lens Fibonacci diffractive has a radius a and order S and illuminates with a flat and monochromatic beam of wavelength λ, as S increases one of the maximum tends towards the position axial, measured from the lens, z1 = 2 F_ {S-1} λ / a2, and the other towards z_2 = 2 F_ {S} λ / a2. In this way, the following relationship is satisfied z_ {2} / z_ {1} = F_ {S} / F_ {S-1}, which stops large values of S leads to
donde \tau es conocido como el número de oro o número áureo.where \ tau is known as the gold number or number golden.
Además de las lentes difractivas de Fibonacci binarias de amplitud, las lentes de Fibonacci objeto de esta invención incluyen también el caso en el que en cada zona anular de la lente difractiva se genere una variación cualquiera de amplitud y/o de fase, tanto binaria como continua.In addition to Fibonacci diffractive lenses binary amplitude, the Fibonacci lenses object of this invention also include the case in which in each annular zone of the diffractive lens will generate any variation in amplitude and / or phase, both binary and continuous.
Asimismo, estas lentes difractivas también pueden generarse a partir de secuencias de Fibonacci de N elementos (con N>2, llamadas tribonacci para N = 3; tetranacci para N = 4, etc.), en las que la ley de composición recursiva afecta a tres o más estructuras precedentes.Also, these diffractive lenses too can be generated from Fibonacci sequences of N elements (with N> 2, called tribonacci for N = 3; tetranacci for N = 4, etc.), in which the law of recursive composition affects three or More preceding structures.
Adicionalmente, las lentes difractivas de Fibonacci incluyen otras estructuras sin simetría circular, como las de geometría elíptica (lentes astigmáticas) o lineal (lentes cilíndricas).Additionally, diffractive lenses of Fibonacci include other structures without circular symmetry, such as those of elliptical geometry (astigmatic lenses) or linear (lenses cylindrical).
También las lentes difractivas de Fibonacci pueden agruparse en matrices de microlentes para su uso en sistemas de imagen integral.Also Fibonacci diffractive lenses can be grouped into microlens matrices for use in systems of integral image.
Las lentes objeto de la presente invención admiten diferentes tecnologías para su fabricación, dependiendo del rango de longitudes de onda para el que se diseñan, abarcando éste desde \lambda = 1 m a 10^{-10} m, y sus diferentes aplicaciones. Estas técnicas incluyen la microlitografia y el fotograbado, entre otras.The lenses object of the present invention they admit different technologies for their manufacture, depending on the wavelength range for which they are designed, covering this from λ = 1 m to 10-10 m, and its different applications. These techniques include microlithography and photogravure, between others.
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