ES2336052T3 - Instrumento optico y elemento optico del mismo. - Google Patents

Abstract

Instrumento óptico, que comprende: un sistema óptico para producir una imagen óptica de un objeto, pudiendo visualizar un observador la imagen óptica en una pupila (7) de salida; y un elemento (25) óptico de difracción ubicado en un plano (3, 17) de imagen o focal intermedio del instrumento óptico para producir una serie (6) de una pluralidad de las pupilas (7) de salida; en el que el elemento (25) óptico de difracción incluye: un sustrato que tiene una superficie (26); y al menos tres rejillas de difracción ópticas en un plano común en la superficie (26) del sustrato, comprendiendo cada rejilla de difracción óptica un conjunto de líneas (27, 30, 31) de rejilla de difracción paralelas definidas por ranuras o bordes (23, 29) continuos en la superficie (26) del sustrato, extendiéndose las líneas (27, 30, 31) de rejilla de difracción de cada rejilla de difracción óptica en una dirección angular diferente con respecto a las líneas (27, 30, 31) de rejilla de difracción de cada una de las otras las rejillas de difracción ópticas.

Description

Instrumento óptico y elemento óptico del mismo.

Esta invención se refiere a instrumentos ópticos y en particular a instrumentos ópticos que tienen una pupila de salida en la que un observador puede visualizar una imagen de un objeto.

En los instrumentos ópticos convencionales el tamaño de la pupila de salida se determina mediante una función de la abertura numérica del instrumento y el aumento global del instrumento y por tanto el tamaño de la pupila de salida tiene una dimensión fija y relativamente pequeña. Por consiguiente es necesario que un observador alinee de manera exacta la pupila de entrada de su ojo con la pupila de salida del instrumento óptico con el fin de visualizar de manera adecuada una imagen o de otro modo recibir luz desde el instrumento.

En el documento EP-A-0650606, se ha descrito y reivindicado un aparato óptico dotado de una pupila de salida agrandada mediante la que un observador puede tener libertad para recibir imágenes o luz desde el aparato óptico orientar la pupila de su ojo en cualquier lugar dentro de una pupila de salida agrandada. La pupila de salida agrandada se obtiene proporcionando un elemento de difracción ubicado en un plano de imagen o focal intermedio del instrumento óptico. El elemento de difracción comprende un sustrato que tiene una pluralidad de primeras ranuras paralelas en una superficie del sustrato, coincidiendo los bordes de las primeras ranuras y formando líneas de una primera rejilla de difracción y una pluralidad de segundas ranuras paralelas en la superficie del sustrato, extendiéndose las segundas ranuras perpendiculares a las primeras ranuras y coincidiendo los bordes de las segundas ranuras y formando líneas de una segunda rejilla de difracción. Aunque una construcción de elemento de difracción según se describe en el documento EP-A-0650606 produce una pupila de salida agrandada, la presente invención proporciona un instrumento óptico mejorado que tiene una pupila de salida agrandada.

El documento US-A-5742262 da a conocer un aparato de visualización de retina virtual que incluye un par de rejillas de difracción separadas para producir una pupila de salida agrandada.

El documento US-A-734134 da a conocer artículos que tienen superficies que incluyen rejillas de difracción cruzadas para producir efectos luminosos de color.

La presente invención proporciona un instrumento óptico, que comprende: un sistema óptico para producir una imagen óptica de un objeto, pudiendo visualizar un observador la imagen óptica en una pupila de salida; y un elemento óptico de difracción ubicado en un plano de imagen o focal intermedio del instrumento óptico para producir una serie de una pluralidad de las pupilas de salida; en el que el elemento óptico de difracción incluye: un sustrato que tiene una superficie; y al menos tres rejillas de difracción ópticas en un plano común en la superficie del sustrato, comprendiendo cada rejilla de difracción óptica un conjunto de líneas de rejilla de difracción paralelas definidas por bordes o ranuras continuos en la superficie del sustrato, extendiéndose las líneas de rejilla de difracción de cada rejilla de difracción óptica en una dirección angular diferente con respecto a las líneas de rejilla de difracción de cada una de las otras rejillas de difracción ópticas.

A continuación se describirá una realización de la invención a modo de ejemplo con referencia a los dibujos en los que:

la figura 1 muestra elementos ópticos de un microscopio que incorpora un elemento de difracción,

la figura 2 es una representación de una serie de pupilas de salida producidas en el microscopio de la figura 1,

la figura 3 muestra un elemento óptico de difracción dotado de tres rejillas de difracción ópticas.

La figura 4 es una vista que ilustra un perfil de ranuras que forman las rejillas de difracción ópticas,

la figura 5 es una vista similar a la figura 6 aunque ilustra una forma alternativa de las ranuras que forman las rejillas de difracción ópticas,

la figura 6 muestra un elemento óptico de difracción similar al mostrado en la figura 3 aunque dotado de seis rejillas de difracción ópticas,

la figura 7 muestra elementos ópticos de un microscopio de proyección que utiliza un elemento de difracción transmisivo,

la figura 8 muestra una forma alternativa de microscopio de proyección que usa un elemento de difracción reflectante.

La figura 9 muestra los elementos ópticos de un microscopio de proyección que utiliza un sistema de lente de Fresnel combinado y una serie de difracción, y

la figura 10 muestra una construcción alternativa del microscopio de proyección ilustrado mediante la figura 4.

Con referencia en primer lugar a la figura 1, un microscopio incluye una lente 1 del objetivo y un ocular 2. La lente del objetivo produce una imagen intermedia en un plano 3 de imagen o focal de un objeto en un plano 4 de objeto y, como se conoce bien, cuando un ojo de un observador se alinea con una pupila 5 de salida del microscopio puede observarse una imagen agrandada de la imagen intermedia y por tanto, del objeto. La pupila 5 de salida es una imagen de la abertura de la lente 1 del objetivo. En el microscopio según la invención un elemento 25 de difracción transmisivo está ubicado en el plano 3 de imagen o focal intermedio del microscopio. El elemento 25 de difracción es eficaz para hacer que el microscopio produzca una serie 6 (figura 2) de pupilas 7 de salida correspondiendo cada una a la pupila 5 de salida que se formaría en ausencia del elemento 25 de difracción. Mediante la elección adecuada del diseño del elemento 25 de difracción la serie de pupilas 6 de salida puede ser tal que las pupilas 7 de salida adyacentes sean contiguas o se superpongan. Debe entenderse que la representación de la serie de pupilas de salida en la figura 2 es explicativa y que aunque las pupilas de salida de la serie puedan tener una configuración hexagonal como se ilustra, las pupilas de salida pueden tener otra configuración o forma.

En caso deseado, la abertura de la lente del objetivo puede estar definida por un tope 8 de abertura. El tope 8 de abertura puede ser circular y entonces la pupila de salida también será circular. Sin embargo la abertura puede tener una configuración que no sea circular y por ejemplo puede ser rectangular, cuadrada o hexagonal. Por consiguiente las pupilas 5, 7 de salida se producen con una configuración correspondiente que, en caso deseado, puede ser tal que las pupilas de salida de la serie pueden ubicarse contiguas entre sí sin espacios entre ellas o las pupilas de salida pueden superponerse una sobre otra. Sin embargo se apreciará que la ubicación de las pupilas de salida entre sí se elige de modo que la serie de las pupilas de salida se percibe por el ojo de un observador como una única pupila de salida continua agrandada.

El elemento 25 de difracción tiene una superficie 26 en la que se forma una pluralidad superior a dos de rejillas de difracción ópticas. En la figura 3 se muestra el elemento de difracción con tres rejillas de difracción ópticas. El elemento 25 de difracción tiene una pluralidad de conjuntos de ranuras paralelas en la superficie 26 del mismo, definiendo cada conjunto de ranuras paralelas líneas de difracción de una rejilla óptica de difracción respectiva. Un primer conjunto de primeras ranuras paralelas en la superficie 26 define líneas 27 de difracción paralelas de una primera rejilla de difracción, segundas ranuras paralelas definen líneas 30 de difracción paralelas de una segunda rejilla óptica de difracción y terceras ranuras paralelas definen líneas 31 de difracción paralelas de una tercera rejilla óptica de difracción. Las primeras, segundas y terceras ranuras se extienden de manera angular entre sí de modo que las líneas de difracción de las tres rejillas de difracción ópticas se extienden respectivamente de manera angular entre sí y, por ejemplo como se muestra en la figura 5, se extienden de manera equiangular entre sí a 60º. Las ranuras tienen paredes 28 que pueden tener un perfil como se ilustra en la figura 4. La separación, es decir, el paso de las líneas de difracción de las rejillas de difracción ópticas determina la separación de las pupilas de salida en la serie de pupilas de salida. Normalmente, el paso de las líneas de difracción de las rejillas de difracción ópticas puede estar en el intervalo de 2 - 160 micrómetros. El ángulo y la forma de la pared 28 de las ranuras determinan la dispersión de la luz a la pluralidad de pupilas de salida y la pared de las ranuras está formada de modo que produce una dispersión sustancialmente uniforme de la luz a la pluralidad de pupilas de salida. En lugar de formar ranuras 28 en la superficie 26 de modo que los bordes 29 comunes que forman una rejilla óptica de difracción se dispongan lo más arriba en la superficie, formando las ranuras depresiones entre los bordes como se muestra en la figura 4, el elemento 25 puede estar formado con una formación inversa de modo que las líneas 23 de difracción de las rejillas de difracción ópticas estén definidas por las partes más profundas de ranuras formadas en el elemento como se muestra en la figura 5.

Aunque la figura 3 ilustra un elemento 25 óptico de difracción que tiene tres rejillas de difracción ópticas que se extienden de manera equiangular entre sí, puede proporcionarse un número superior de rejillas de difracción ópticas en el elemento 25 óptico de difracción, en caso deseado. Por ejemplo, como se ilustra en la figura 6, pueden proporcionarse seis rejillas de difracción ópticas y debe entenderse que pueden proporcionarse más de seis rejillas de difracción ópticas.

La separación de las líneas de difracción de las rejillas de difracción ópticas puede ser igual o diferente, según se desee. Además, la forma de sección transversal de todas las ranuras de una rejilla puede ser sustancialmente la misma, o si se desea, la forma de sección transversal de cada ranura o de algunas ranuras con respecto a una ranura adyacente puede ser diferente para proporcionar una distribución requerida de luz a las pupilas de salida. En la figura 3 las líneas de las tres rejillas de difracción ópticas se muestran extendiéndose de manera equiangular y simétrica entre sí. De manera similar, en la figura 6 las líneas de las rejillas de difracción ópticas se extienden de manera simétrica entre sí. Sin embargo debe entenderse que, si se desea, pueden elegirse otras relaciones angulares entre las líneas de difracción de las rejillas de difracción ópticas.

Se apreciará que cuando luz multicromática que comprende luz de una pluralidad de diferentes longitudes de onda se actúa mediante una rejilla de difracción óptica la difracción de la luz depende de la longitud de onda de la luz. Cuando se desea hacer funcionar un microscopio y otros instrumentos ópticos usando luz multicromática, si sólo se proporcionan dos rejillas de difracción ópticas en el elemento de difracción como se describe en el documento EP-A-0650606, se producen efectos de alteración cromática de los extremos y restan calidad de la imagen formada por el instrumento. El hecho de proporcionar un número superior a dos de rejillas de difracción ópticas como se describió anteriormente en el presente documento disminuye los efectos de alteración cromática de los extremos observados y mejora la imagen observada por el observador. El efecto de alteración cromática de los extremos observado por un observador se reduce formando las rejillas de difracción ópticas para producir una serie de pupilas de salida en la que las pupilas de salida de la serie se superponen en una pluralidad de direcciones. Como resultado de la superposición de las pupilas de salida en la serie de pupilas de salida, la alteración cromática de los extremos producida por cada una de las rejillas de difracción ópticas tiende a anularse y de este modo a reducir la alteración cromática de los extremos observada. Esta superposición de las pupilas de salida de la serie en una pluralidad de direcciones se consigue proporcionando más de dos rejillas de difracción ópticas y por ejemplo con el elemento de difracción de la figura 3 las pupilas de salida de la serie se superponen en tres direcciones y con el elemento de difracción de la figura 6 las pupilas de salida de la serie se superponen en seis direcciones.

A continuación se describirán otras formas de instrumento óptico que utilizan un elemento de difracción para producir una pupila de salida agrandada que comprende una serie de pupilas de salida con referencia a las figuras 7 a 10.

La figura 7 muestra un microscopio de proyección que incluye una lente 10 del objetivo, un ocular 11 de proyección y lentes 12, 13 de campo. En esta construcción de microscopio de proyección el ocular de proyección representa la abertura de la lente 10 del objetivo o, si se proporciona, de un tope 14 de abertura para formar una pupila de salida intermedia en un plano 15 intermedio. Las lentes 12, 13 de campo transmiten una imagen de la pupila de salida intermedia en el plano 15 a una pupila 16 de salida final en una posición de visualización para un observador. La lente 10 del objetivo y el ocular 11 de proyección forman una imagen en un plano 17 entre las lentes 12, 13 de campo de un objeto en un plano 18 de objeto. Un elemento 25 de difracción transmisivo está ubicado en el plano 17 para producir una serie de imágenes de la pupila de salida intermedia en el plano 15 para formar una pupila 16 de salida final agrandada en la posición de visualización.

La figura 8 muestra una realización adicional de microscopio de proyección en la que, en lugar de formar una imagen en un elemento de difracción transmisivo como en el microscopio mostrado en la figura 1 y el microscopio de proyección mostrado en la figura 7, la imagen se forma en un elemento 20 de difracción reflectante. Se proporcionan una lente 21 de campo única y un elemento 22 reflectante para formar una imagen para que un ojo 23 de un observador la visualice a través de un espejo 24. Un elemento 25 de difracción se proporciona adyacente a la superficie del elemento 22 reflectante. El elemento 25 de difracción puede ser un elemento independiente como se ilustra en la figura 7 o puede ser solidario al elemento 22 reflectante y estar formado en la superficie reflectante del elemento 22 reflectante. En lugar de una lente 21 de campo y un espejo 22 plano, puede proporcionarse un elemento 50 reflectante cóncavo parcialmente esférico como se muestra en la figura 10. El elemento 51 de difracción puede ser solidario al elemento reflectante cóncavo y estar formado en la superficie cóncava parcialmente esférica del elemento reflectante de modo que el elemento de difracción tenga la forma de curvatura de la superficie del elemento reflectante.

Por tanto, se entenderá que la invención proporciona un instrumento óptico que incluye un elemento de difracción óptico que, cuando está ubicado en un plano de imagen intermedio del instrumento óptico, produce a través de medios de difracción reflectantes o medios de difracción de refracción junto con un sistema de espejo o lente de campo asociado, una serie de pupilas de salida, o imágenes de pupilas de salida intermedias, del instrumento en la posición de visualización para el ojo de un observador.

En la construcción de microscopio ilustrada en la figura 7 en la que se proporcionan lentes 12, 13 de campo para proyectar la imagen y en la construcción de microscopio ilustrada en la figura 8 en la que se proporcionan un espejo y una lente 21 de campo para proyectar la imagen, es necesario que las lentes de campo sean al menos igual de grandes que el campo de imagen. Esto presenta inconvenientes con respecto al coste y peso del instrumento y cuando se requieren campos de visión más grandes se vuelve poco práctico fabricar el tamaño de lentes de campo requerido. Para superar estos inconvenientes pueden utilizarse lentes de Fresnel en lugar de las lentes de campo de refracción. En lugar de formar una lente de Fresnel circular convencional se proporciona la característica óptica requerida de una lente de Fresnel circular mediante una pluralidad de lentes de Fresnel cilíndricas dispuestas de manera angular entre sí. Cada lente de Fresnel cilíndrica está formada como un patrón de tiras prismáticas paralelas. Las lentes de Fresnel cilíndricas en combinación actúan de manera óptica como una lente circular convencional. Como se describió anteriormente en el presente documento se utiliza un patrón de una pluralidad de conjuntos de líneas de difracción paralelas para generar una serie de pupilas de salida. Las superficies de las tiras prismáticas que forman las lentes de Fresnel se modifican en comparación con una lente de Fresnel convencional formando sobre las mismas las líneas de rejillas de difracción ópticas.

La figura 9 es similar a la figura 7 e ilustra un microscopio de proyección aunque un elemento 32 óptico único realiza las funciones del sistema 12, 13 de lente de campo (figura 7) y del elemento 25 de difracción (figura 7) para generar una serie de una pluralidad de pupilas de salida. Un elemento de este tipo es más ligero y puede fabricarse de manera económica.

Se prefiere formar las lentes de Fresnel cilíndricas primera y segunda en una superficie común de un sustrato aunque si se desea las lentes de Fresnel cilíndricas primera y segunda pueden formarse en diferentes superficies que en el microscopio se extienden paralelas entre sí. Por ejemplo puede formarse un patrón de lente en una superficie de un sustrato y el otro patrón de lente puede formarse en una superficie opuesta del sustrato.

Se prevé que normalmente el elemento de difracción permanecería estacionario con respecto a los otros elementos ópticos del instrumento óptico. Sin embargo en algunos casos puede ser deseable mover el elemento de difracción con respecto a los otros elementos ópticos del instrumento óptico por ejemplo mediante rotación del elemento de difracción alrededor de un eje perpendicular al plano del elemento, o en el caso de un elemento cóncavo parcialmente esférico, alrededor de un eje central del elemento. Una rotación de este tipo puede realizarse proporcionando un motor eléctrico y una transmisión de accionamiento desde el motor al elemento de difracción.

Anteriormente en el presente documento se ha descrito la invención en relación a microscopios, sin embargo debe entenderse que la invención no está limitada a microscopios y que puede utilizarse para producir pupilas de salida agrandadas para otras formas de aparato o instrumento óptico.

Como se mencionó anteriormente en el presente documento, el elemento 25 de difracción puede ser un elemento independiente o puede estar formado de manera solidaria a otro elemento óptico tal como una lente o espejo del aparato óptico. Cuando el elemento de difracción está formado de manera solidaria a otro elemento óptico tal como una lente o espejo, las ranuras y las líneas que comprende la rejilla de difracción se forman en una superficie del otro elemento óptico. Esto puede realizarse de manera conveniente depositando una capa de material sobre una superficie del elemento óptico y a continuación cortando o formando de otro modo las ranuras en la capa depositada.

Debe entenderse que cuando en la memoria descriptiva se hace referencia a una lente, espejo u otro elemento óptico tal elemento puede comprender un elemento óptico único o un elemento óptico compuesto consistente en una combinación de elementos.

Claims (14)

1. Instrumento óptico, que comprende:

un sistema óptico para producir una imagen óptica de un objeto, pudiendo visualizar un observador la imagen óptica en una pupila (7) de salida; y

un elemento (25) óptico de difracción ubicado en un plano (3, 17) de imagen o focal intermedio del instrumento óptico para producir una serie (6) de una pluralidad de las pupilas (7) de salida;

en el que el elemento (25) óptico de difracción incluye:

un sustrato que tiene una superficie (26); y

al menos tres rejillas de difracción ópticas en un plano común en la superficie (26) del sustrato, comprendiendo cada rejilla de difracción óptica un conjunto de líneas (27, 30, 31) de rejilla de difracción paralelas definidas por ranuras o bordes (23, 29) continuos en la superficie (26) del sustrato, extendiéndose las líneas (27, 30, 31) de rejilla de difracción de cada rejilla de difracción óptica en una dirección angular diferente con respecto a las líneas (27, 30, 31) de rejilla de difracción de cada una de las otras las rejillas de difracción ópticas.

2. Instrumento óptico según la reivindicación 1, en el que las líneas (27, 30, 31) de rejilla de difracción de cada rejilla de difracción óptica se disponen simétricamente unas con respecto a otras.

3. Instrumento óptico según la reivindicación 1 ó 2, en el que las líneas (27, 30, 31) de rejilla de difracción de cada rejilla de difracción óptica se disponen de manera equiangular entre sí.

4. Instrumento óptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la sustancia es ópticamente transmisiva.

5. Instrumento óptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el sustrato es ópticamente reflectante.

6. Instrumento óptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el sustrato es una lente (32) de Fresnel cilíndrica.

7. Instrumento óptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que las rejillas de difracción ópticas son eficaces para producir las pupilas (7) de salida de la serie de pupilas (6) de salida en relación de superposición.

8. Instrumento óptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el elemento (25) óptico de difracción se forma en o de manera solidaria a una superficie de otro elemento (22) óptico.

9. Instrumento óptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el sistema óptico comprende una lente (1) del objetivo para producir una imagen del objeto en un plano (3) de imagen, y una lente (2) ocular para producir una imagen agrandada de la imagen que puede visualizarse en la pupila (7) de salida, y las rejillas (27, 30, 31) de difracción ópticas del elemento (25) óptico de difracción están ubicadas en el plano (3) de imagen para producir la serie de las pupilas (6) de salida ubicadas unas respecto a otras para ser perceptibles por un ojo del observador como una única pupila de salida ampliada continua.

10. Instrumento óptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el sistema óptico comprende una primera lente (10) del objetivo, una segunda lente (11) ocular para producir una imagen de abertura de una abertura (14) de la lente (10) del objetivo que puede visualizarse en una primera pupila de salida, y un sistema de campo óptico para recibir una imagen óptica de la imagen producida por la lente (10) del objetivo y la lente (11) ocular en un plano (17) de imagen y que transmite la imagen de abertura a una segunda pupila (7) de salida, pudiendo visualizar un observador la imagen óptica en la segunda pupila (7) de salida, en el que el sistema de campo óptico incluye el elemento (25) óptico de difracción para producir una serie (6) de una pluralidad de las segundas pupilas (7) de salida.

11. Instrumento óptico según la reivindicación 10, en el que el elemento (25) óptico de difracción es solidario a una superficie de un elemento (12) del sistema de campo óptico.

12. Instrumento óptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que las paredes de los bordes o ranuras (23, 29) que definen las rejillas de difracción ópticas tienen un perfil eficaz para distribuir energía luminosa sustancialmente de manera uniforme a las pupilas (7) de salida en la serie de pupilas (6) de salida.

13. Instrumento óptico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que el instrumento óptico es un microscopio.

14. Instrumento óptico según la reivindicación 13, en el que el instrumento óptico es un microscopio de proyección.