ES2671093T3 - Dispositivo para la reproducción óptica - Google Patents

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ES2671093T3 ES10787721.9T ES10787721T ES2671093T3 ES 2671093 T3 ES2671093 T3 ES 2671093T3 ES 10787721 T ES10787721 T ES 10787721T ES 2671093 T3 ES2671093 T3 ES 2671093T3
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Jacques Duparre
Frank Wippermann
Andreas Brückner
Andreas BRÄUER
Robert Leitel
Reinhard VÖLKEL
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Abstract

Dispositivo para la reproducción óptica al menos de una parte de un objeto en una zona de un sensor de imagen digital, con: un canal óptico (110) que comprende una primera lente de reproducción (120) dispuesta sobre un primer sustrato, una segunda lente de reproducción (130) dispuesta sobre un segundo sustrato y una lente de campo (140) dispuesta sobre un tercer sustrato; siendo idénticas la primera lente de reproducción (120) y la segunda lente de reproducción (130); estando dispuestas la primera lente de reproducción (120) y la segunda lente de reproducción (130) de manera que una primera superficie (240) de la primera lente de reproducción (120) es una superficie de entrada de luz (180) del canal óptico (110), y una primera superficie (240) de la segunda lente de reproducción (130) es una superficie de salida de luz (182) del canal óptico (110); estando dispuesta la lente de campo (140) entre la primera lente de reproducción (120) y la segunda lente de reproducción (130) de modo que un eje que discurre perpendicularmente a la extensión lateral del canal óptico (110) a través de un punto central lateral de la lente de campo (140) forma un eje de simetría (170) del canal óptico (110); caracterizado porque la primera lente de reproducción (120) y la segunda lente de reproducción (130) comprenden en cada caso dos diafragmas (250, 260) con transparencia que varía localmente; estando dispuestos los dos diafragmas (250, 260) de la primera lente de reproducción (120) lateralmente el uno detrás del otro entre la primera superficie (240) de la primera lente de reproducción (120) y una segunda superficie (210) de la primera lente de reproducción (120); y estando dispuestos los dos diafragmas (250, 260) de la segunda lente de reproducción (130) lateralmente el uno detrás del otro entre la primera superficie (240) de la segunda lente de reproducción (130) y una segunda superficie (210) de la segunda lente de reproducción (130).

Description

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Dispositivo para la reproducción óptica DESCRIPCIÓN
La presente invención se refiere a un dispositivo para la reproducción óptica de un objeto en un sensor de imagen digital, que puede utilizarse por ejemplo en la microscopía digital o la macrofotografía. El documento US 3.584.952 describe un dispositivo para la reproducción óptica según el estado de la técnica. Los microscopios clásicos con un aumento puramente óptico necesitan una palanca óptica grande para alcanzar grandes distancias focales en distancias de objeto cortas. Estas así llamadas grandes distancias ópticas dan como resultado grandes longitudes de tubo y con ello grandes longitudes de construcción de los microscopios. Las estructuras de microscopio convencionales, conocidas pueden presentar alturas en el intervalo de 25 a 50 cm. Con un aumento creciente, en los microscopios clásicos baja el campo de objetos que puede observarse. Los microscopios clásicos siguen siendo instrumentos de precisión óptico-mecánicos corregidos de manera costosa y con ello caros en la fabricación.
Los nuevos sensores de imagen digitales permiten, debido a sus tamaños de pixel pequeños ahora por primera vez la captura de pequeños detalles de objeto, dependiendo del tamaño de píxel en una reproducción óptica 1 1, es decir campo de imagen = objeto de imagen o un aumento óptico solo muy reducido, esta técnica se denomina macrofotografía digital. Una desventaja de esta técnica es que en el caso de una reducción de la longitud de construcción de un objetivo correspondiente con una extensión de objeto grande se forma un paso inclinado de la luz en el borde de campo de imagen a través del macroobjetivo o el un canal de lente y con ello aberraciones extremadamente intensas en el borde de campo de imagen (las denominadas aberraciones Off-Axis (fuera de eje)), por lo que la calidad de imagen se ve influida de modo intenso o se vuelve necesaria una corrección costosa.
Para alcanzar alturas de construcción reducidas de sistemas de reproducción existe además un concepto del uso de varios canales ópticos. Este denominado planteamiento de campo o planteamiento de serie hace posible una transmisión paralela de partes de objeto adyacentes en partes de imagen adyacentes mediante objetivos o canales de reproducción dispuestos unos al lado de otros periódicamente, idénticos y que no se influyen unos a otros, o solo escasamente. Por ello la transmisión de imágenes tiene lugar esencialmente de nuevo en perpendicular (excepto en el ángulo de campo reducido dentro de los canales individuales), es decir a diferencia de las variantes de un canal no se forma ningún paso inclinado de la luz en el borde de campo de imagen, ajustándose a escala el objeto de imagen con el tamaño del sensor de imagen o el número de los canales empleados y siendo la longitud de construcción independiente de esto. Una desventaja de este planteamiento de campo es que debido a la geometría de campo de la disposición pueden producirse eventualmente artefactos en la imagen. Estos artefactos pueden reflejarse por ejemplo en una modulación de la resolución, luminancia o también el aumento dependiendo del periodo del campo. Un problema adicional es la diafonía óptica entre los diferentes canales cuyo impedimento es crítico. Debido a la utilización de varios canales tanto el objeto de imagen como el campo de imagen se dividen en varios, campos de objeto parcial y campos de imagen parcial de acuerdo con el número de los canales. Para ello en el planteamiento de campo descrito existen diferentes variantes de la combinación de conexión de campo de objeto y conexión de campo de imagen, es decir de la composición de los campos de objeto parcial y campos de imagen parcial.
Además variantes en las que varios canales contribuyen a la formación de un punto de imagen, las cuales presentan con ello una intensidad luminosa más alta, se diferencian de variantes en las que solamente un canal contribuye a la formación de un punto de imagen, las cuales presentan una resolución más alta.
En resumen puede decirse que en el estado de la técnica conocido no existe ningún concepto que reúna reproducción lateral de objetos cercanos extendidos, es decir con una escasa distancia del objeto para dar lugar a un sistema de reproducción, en una alta calidad de imagen con una escasa altura de construcción del sistema de reproducción.
Un objetivo de la presente invención es por tanto crear un concepto que haga posible una reproducción lateral de objetos cercanos extendidos con una mejor relación de calidad de imagen con respecto a la altura de construcción.
Un dispositivo según la reivindicación 1 resuelve este objetivo.
La idea central de la presente invención consiste en que en el caso de un dispositivo para la reproducción óptica al menos de una parte de un objeto en una zona de imagen de un sensor de imagen digital, que presenta un canal óptico con dos lentes de reproducción y una lente de campo, puede alcanzarse una mejor relación de calidad de imagen con respecto a la altura de construcción, cuando la lente de campo está dispuesta entre la primera lente de reproducción y de la segunda lente de reproducción de modo que un eje que discurre perpendicularmente a la extensión lateral del canal óptico a través de un punto central lateral de la lente de campo forma un eje de simetría del canal óptico. Las dos lentes de reproducción son por lo tanto en su forma, pero sobre todo en sus propiedades ópticas idénticas o difieren un de otra solo ligeramente, por ejemplo dentro de las tolerancias de fabricación. Una primera superficie de la primera lente de reproducción dirigida al objeto forma con ello una superficie de entrada de
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luz del canal óptico, y una primera superficie de la segunda lente de reproducción dirigida al sensor de imagen forma por tanto una superficie de salida de luz del canal óptico. La extensión lateral del canal óptico discurre por tanto a lo largo de un eje a través del punto central de la superficie de entrada de luz del canal óptico y el punto central de la superficie de salida de luz del canal óptico, que también define un haz principal del canal óptico.
Una ventaja de la presente invención es por tanto que mediante la disposición simétrica del canal óptico se hace posible una reproducción 1 1 de una parte de un objeto en una zona de un sensor de imagen, lo que lleva a una mejor relación de calidad de imagen respecto a altura de construcción del dispositivo. La zona de objeto que puede registrarse como máximo ya no depende de la altura de construcción del dispositivo, sino del tamaño de la superficie ópticamente activa del sensor de imagen y se ajusta a escala con esta.
En ejemplos de realización de la presente invención varios canales ópticos pueden estar dispuestos en una distribución hexagonal, pudiendo solaparse las zonas de registro de los canales ópticos por ejemplo en sus bordes parcialmente.
Una ventaja adicional de la presente invención es por tanto que mediante la reproducción solo de una parte de un objeto en una zona de un sensor de imagen el tamaño de objeto que puede capturarse como máximo no se ajusta a escala con la altura de construcción del dispositivo, sino con el número de los canales empleados. Un aumento de la zona de objeto que va a registrarse lleva por tanto a un elevado número de canales ópticos y eventualmente a un aumento de la superficie ópticamente activa del sensor de imagen, pero no a una elevación de la extensión lateral de los canales ópticos o a un aumento de altura de construcción del dispositivo para la reproducción óptica.
Los ejemplos de realización preferidos de la presente invención se explican con más detalle a continuación mediante los dibujos adjuntos. Muestran:
la figura 1a y la figura 1b la figura 2a a la figura 2b la figura 3a a la figura 3c la figura 4
representaciones esquemáticas de un dispositivo para la reproducción óptica según un ejemplo de realización de la presente invención;
vistas seccionadas de una lente de reproducción para el uso en un ejemplo de realización de la presente invención;
vistas seccionadas de una lente de campo para el uso en un ejemplo de realización de la presente invención;
una representación esquemática de un dispositivo para la reproducción óptica según un ejemplo de realización de la presente invención;
Antes de explicar a continuación la presente invención con más detalle mediante los dibujos cabe indicar que los mismos elementos en las figuras están provistos de los mismos números de referencia o similares y que se omite una descripción repetida de estos elementos.
La figura 1a muestra una representación esquemática de un dispositivo 100 para la reproducción óptica según un ejemplo de realización de la presente invención. La representación esquemática muestra una vista seccionada del plano xz del dispositivo 100. La extensión en la dirección y del dispositivo 100 no está representada en este caso. El dispositivo 100 comprende un canal óptico 110. El canal óptico comprende una primera lente de reproducción 120 y una segunda lente de reproducción 130, siendo ambas lentes de reproducción 120, 130 idénticas en su forma y sobre todo en su modo de funcionamiento óptico o difiriendo solo ligeramente una de otra dentro de tolerancias de fabricación. Entre la primera lente de reproducción 120 y la segunda lente de reproducción 130 está dispuesta una lente de campo 140 en el centro. Un objeto que va a reproducirse por el dispositivo 100 puede encontrarse por ejemplo en un plano de objeto 150. La reproducción generada por el dispositivo 100 al menos de una parte del objeto que se denomina en lo sucesivo también zona de objeto que va a reproducirse, en el plano de objeto 150 puede encontrarse por ejemplo en un plano de imagen 160. Todo el dispositivo 100 y por tanto también el canal óptico 110 son simétricos alrededor de un eje de simetría 170 que discurre a través de un punto central de la lente de campo 140 y perpendicularmente a la extensión lateral en la dirección x del canal óptico 110, en la dirección z.
La luz que incide desde el plano de objeto 150 llega a una primera superficie de la primera lente de reproducción 120, que también es una superficie de entrada de luz 180 del canal óptico 110. La primera lente de reproducción 120 focaliza la luz incidente, de modo que en un plano intermedio 190, que está situado en paralelo al plano de objeto 150 y con respecto al plano de imagen 160 en un plano yz y discurre a través del punto central de la lente de campo 140, es decir el punto central del canal óptico 110 y del dispositivo 100, se forma una imagen intermedia disminuida des zona de objeto que va a reproducirse. La imagen intermedia que se forma en el plano de imagen intermedia 190 a diferencia de la zona de objeto que va a reproducirse está boca abajo y está invertida. Una disminución de imagen intermedia intensa en comparación con la zona de objeto que va a reproducirse es preferible, dado que esto hace posible la utilización de diafragmas con escaso diámetro de diafragma, lo que puede llevar a una supresión efectiva de luz residual. Debido a la disposición simétrica del dispositivo 100 o del canal óptico 110 alrededor del eje de simetría 170, la trayectoria de los rayos de la luz incidente del plano de objeto 150 con respecto al plano de imagen intermedia 190 está reflejada en la trayectoria de los rayos de la luz desde el plano de imagen intermedia 190 con
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respecto al plano de imagen 160. La luz procedente del plano de imagen intermedia 190 llega a la segunda lente de reproducción 130 y se difunde desde una primera superficie de la lente de reproducción 130, que también es una superficie de salida de luz 182 del canal óptico 110 hacia el plano de imagen 160. Las dimensiones de la zona de imagen registrada, debido a la simetría del dispositivo 100 o del canal óptico 110, son idénticas a las dimensiones de la zona de objeto reproducida. En otras palabras se alcanza una reproducción 1 1. En el plano de imagen 160 puede estar dispuesto por ejemplo un sensor de imagen digital. Debido a la simetría del dispositivo 100 o del canal óptico 110 y de la reproducción 1 1 resultante de la misma las dimensiones de la superficie fotoactiva del sensor de imagen corresponden exactamente a las dimensiones de la superficie que puede registrarse como máximo de la zona de objeto. El canal óptico 110 puede reproducir en este sentido por ejemplo una parte del objeto que va a registrarse en el plano de objeto 150 en una zona del sensor de imagen.
En ejemplos de realización adicionales el dispositivo 100 podría presentar adicionalmente canales ópticos 110 adicionales que fueran idénticos o difirieran ligeramente unos de otros dentro de tolerancias de fabricación. Los canales ópticos 110 podrían estar dispuestos por ejemplo en una distribución hexagonal y podrían solaparse parcialmente en sus zonas de registro. El tamaño de la zona de objetos registrada no se ajusta a escala entonces con la extensión lateral del dispositivo 100, sino con el número de los canales ópticos empleados y está limitado como máximo mediante la superficie ópticamente activa del sensor de imagen. Para reproducir un objeto de imagen mayor, en ejemplos de realización adicionales de la invención en el plano de imagen 160 podrían estar dispuestos varios sensores de imagen interconectados eléctricamente entre sí. Esto no tiene ninguna influencia en la extensión lateral del dispositivo 100, es decir en la altura de construcción, que puede mantenerse reducida de modo constante.
Ejemplos de realización de la invención hacen posible por tanto una reproducción lateral de objetos cercanos extendidos, por ejemplo con una distancia de un plano de objeto 150 respecto a una superficie de entrada de luz 180 de un canal óptico 110 de menos de 10mm, con una mejor relación de calidad de imagen respecto a la altura de construcción con respecto a sistemas de reproducción ya conocidos.
La figura 1b muestra a modo de ejemplo valores para las distancias individuales en la dirección x entre las lentes, así como entre el plano de imagen y de objeto, tal como pueden emplearse por ejemplo en el dispositivo 100 en la figura 1a. Además la simetría del dispositivo 100 se aclara de nuevo. Los valores mostrados en la figura 1b valores deben servir únicamente como valores ejemplificativos, aunque naturalmente en este caso son posibles también otros valores, teniendo en cuenta la simetría del dispositivo 100 alrededor del eje de simetría 170. Cabe mencionar en este caso de nuevo que en el dispositivo 100 mostrado en la figura 1b puede provocarse un aumento del campo de objeto que va a contemplarse en el plano de objeto 150 mediante un aumento del número de los canales ópticos 110 y un aumento de la superficie ópticamente activa de un sensor de imagen situado en el plano de imagen 160, en sin embargo este sentido la extensión lateral del dispositivo 100 puede mantenerse constante en la dirección x L (en la figura 1b L es alrededor de 3,9 mm). En el ejemplo de realización concreto mostrado en la figura 1 b la distancia a1 del plano de objeto 150 respecto a la superficie de entrada de luz 180 del canal óptico 110, que también es la primera superficie de la primera lente de reproducción 120, asciende a 1303 pm. La primera lente de reproducción 120 presenta una dimensión lateral L1 de 340,9 pm, que es idéntica a la dimensión lateral L1 de la segunda lente de reproducción 13. Una segunda superficie de la primera lente de reproducción 120 está distanciada con 198,7 pm (a2) de una primera superficie de la línea de campo 140. La línea de campo 140 presenta una dimensión lateral L2 de 381,4 pm, discurriendo a través del centro de la lente de campo 140 el eje de simetría 170 del canal óptico 110 o del dispositivo 100. La segunda lente de reproducción 130 está distanciada 198,7 pm (a2) de la lente de campo 140. La distancia a1 entre el plano de imagen 160 y la superficie de salida de luz 182 del canal óptico 110 asciende en el ejemplo de realización concreto a 1303 pm.
Las figuras 2a-2b muestran vistas seccionadas de una lente de reproducción para el uso en un ejemplo de realización de la presente invención, que por ejemplo podría ser una de las dos lentes de reproducción 120,130, en el dispositivo 100 mostrado en la figura 1a. Dado que ambas lentes de reproducción 120 y 130 son idénticas, en lo sucesivo se describe solo la primera lente de reproducción 120, que es representante de la segunda lente de reproducción 130.
La lente de reproducción 120 mostrada en la figura 2a presenta una primera superficie de lente 210 con una curvatura convexa. La primera superficie de lente 210 forma por tanto la segunda superficie de la primera lente de reproducción 120 descrita en el ejemplo de realización anterior. En el ejemplo de realización concreto mostrado en la figura 2a la primera superficie de lente 210 presenta un radio de 241,3 pm, un parámetro k (Konik) de 0, una altura de flecha de 38,0 pm y un parámetro básico de 43,9 pm. Limitando con la primera superficie de lente 210 está dispuesta una segunda superficie de lente 220 con una curvatura convexa. En el ejemplo de realización concreto mostrado en la figura 2a la segunda superficie de lente 220 presenta un radio de 152,5 pm, un parámetro k (Konik) de 0, una altura de flecha de 72,8 pm y un parámetro básico de 14,3 pm. Limitando con la segunda superficie de lente 220 está dispuesto un cuerpo de lente 230. En el ejemplo de realización concreto mostrado en la figura 2a el cuerpo de lente 230 presenta una extensión lateral t11 de 228,2 pm. Limitando con el cuerpo de lente 230 está dispuesta una tercera superficie de lente 240 en la que está configurada una curvatura convexa opuesta a la curvatura convexa de la primera superficie de lente 210 y de la segunda superficie de lente 220. La tercera superficie
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En el ejemplo de realización concreto mostrado en la figura 2a la tercera superficie de lente 240 presenta un radio de 343,2 |jm, un parámetro k (Konik) de -8,28, una altura de flecha de 20,3 |jm y un parámetro básico de 14,5 |jm. La lente de reproducción 120 puede ser preferiblemente un cuerpo cilindrico que en el ejemplo de realización concreto mostrado en la figura 2a presenta un diámetro R de 260 jim.
En el ejemplo de realización concreto mostrado en la figura 2a de la lente 120 la primera superficie de lente 210 es de un material de polímero con alto índice de refracción (n 1,63 en una longitud de onda de 588 nm) y bajo número de Abbe (V=26 en una longitud de onda de 588 nm) la segunda superficie de lente 220 de un material de polímero con índice de refracción bajo (n = 1,52 en una longitud de onda de 588 nm) y número de Abbe alto (V=52 en una longitud de onda de 588 nm), el cuerpo de lente 230 de un material de vidrio con un índice de refracción de n = 1,52 y un número de Abbe de V=56 (en una longitud de onda de 588 nm) y la tercera superficie de lente 240 de un material de polímero con índice de refracción bajo (n = 1,52 en una longitud de onda de 588 nm), y número de Abbe alto (V=52 en una longitud de onda de 588 nm). Las dos superficies de lente 210 y 220 dispuestas la una por encima de la otra forman, debido al empelo de dos materiales diferentes con propiedades de dispersión diferentes, una lente acromática que hace posible una corrección de la aberración cromática longitudinal.
La figura 2b muestra una disposición de diafragma posible para la lente de reproducción 120 descrita en la figura 2a. La disposición de diafragma mostrada en la figura2b comprende un primer diafragma 260, que está distanciado a una distancia t12 (cf. la figura 2a) de 9,1 jim de la segunda superficie de lente 220 y está dispuesto en el cuerpo de lente 320, así como un segundo diafragma 250, que está distanciado a una distancia t12 (cf. la figura 2a) de 9,1 jm de la tercera superficie de lente 240 y está dispuesto en el cuerpo de lente 320. Ambos diafragmas 250 y 260 son idénticos en sus dimensiones. En el ejemplo de realización concreto mostrado en la figura 2b los dos diafragmas 250 y 260 presentan un diámetro de apertura d1 de 232 jm.
Los diafragmas 250, 260 pueden servir por ejemplo para suprimir la luz parásita en un canal óptico 110 en el que se emplea la lente de reproducción 120.
Las figuras 3a a 3c muestran vistas seccionadas de una lente de campo 140 para el uso en un ejemplo de realización de la presente invención, que por ejemplo podría ser la lente de campo 140 en el dispositivo 100 descrito en la figura 1a.
La lente de campo 140 mostrada en la figura 3a presenta una primera superficie de lente 310 con una curvatura convexa. Limitando con la primera superficie de lente 310 está dispuesto un cuerpo de lente 320. Limitando con el cuerpo de lente 320 está dispuesta una segunda superficie de lente 330 que es idéntica a la primera superficie de lente 310 y presenta una curvatura convexa opuesta a la curvatura convexa de la primera superficie de lente 310. La primera superficie de lente 310 y la segunda superficie de lente 330 presentan en el ejemplo de realización concreto mostrado en la figura 3a un radio de 270,9 jm, un parámetro k (Konik) de 0, una altura de flecha de 19,1 jm y un parámetro básico de 30,1 jm. La lente de campo 140 es preferiblemente un cuerpo cilíndrico que en el ejemplo de concreto mostrado en la figura 3a presenta un diámetro D2 de 200 jm. La lente de campo 140 es simétrica alrededor de un eje de simetría 340, en la dirección z que discurre a través de un punto central lateral de la lente de campo 140 y es perpendicular a un eje de rotación 350 en la dirección x a través del punto central lateral de la lente de campo 140.
La figura 3b muestra la lente de campo 140 descrita en la figura 3a. En el ejemplo de realización concreto mostrado en la figura 3b de la lente de campo 140 la primera superficie de lente 310 y la segunda superficie de lente 330 están fabricados de un material de polímero con índice de refracción bajo (n = 1,52 en una longitud de onda de 588 nm) y número de Abbe alto (V=52 en una longitud de onda de 588 nm) y el cuerpo de lente 320 de un material de vidrio con un índice de refracción de n = 1,52 y un número de Abbe de V=56 (en una longitud de onda de 588 nm).
La figura 3c muestra la lente de campo 140 descrita en las figuras 3a y 3b con una disposición de diafragma, por ejemplo para determinar la apertura de un canal óptico 110 en el que se emplea la lente de campo 140. La disposición de diafragma comprende un primer diafragma 360, un segundo diafragma 370 y un tercer diafragma 380. Debido a la simetría de la lente de campo 140 el primer diafragma 360 y el tercer diafragma 380 están dispuestos a la misma distancia t2 de 145 jm del eje de simetría 340 en el cuerpo de lente 320 y adyacente a la primera superficie de lente 310 y en el cuerpo de lente 320 y adyacente a la segunda superficie de lente 330. El segundo diafragma 370 está dispuesto en el centro lateral de la lente de campo 140, por lo tanto discurre en el eje de simetría 340. El segundo diafragma 370, en un empleo de la lente de campo 140 en un ejemplo de realización de la presente invención puede determinar el tamaño máximo de imagen intermedia de un canal óptico 110. En el ejemplo de realización concreto mostrado en la figura 3c de la lente de campo 140 el primer diafragma 360 y el tercer diafragma
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El primer diafragma 360 y el tercer diafragma 380 en el ejemplo de realización concreto mostrado en la figura 3 c podrían estar formados por ejemplo de un material de polímero absorbente, negro.
El segundo diafragma 370 en el ejemplo de realización mostrado en la figura 3c podría estar formado por ejemplo de metal.
La figura 4a muestra un dispositivo 400 según un ejemplo de realización de la presente invención. El dispositivo 400 comprende un dispositivo de iluminación 410, por ejemplo una iluminación de fondo LED. Limitando con una superficie emisora de luz del dispositivo de iluminación 410 está dispuesto un patrón de prueba 420. En una distancia a1 de 1,3 mm un campo de microlente 120' limita con el patrón de prueba. El campo de microlente 120' comprende una pluralidad de lentes de reproducción120, por ejemplo tal como se ha descrito en las figuras 2a a 2b. En una distancia a2 de aproximadamente 200 jm respecto al primer campo de microlente 120' está dispuesto un campo de microlente 140'. El segundo campo de microlente 140' comprende una pluralidad de lentes de campo 140, tal como se ha descrito por ejemplo en las figuras 3a a 3c. En una distancia a2 de aproximadamente 200 jm respecto al segundo campo de microlente 140' está dispuesto un tercer campo de microlente 130'. El tercer campo de microlente 130' comprende una pluralidad de segundas lentes de reproducción 130, tal como se ha descrito por ejemplo en las figuras 2a a 2b. El campo de microlente 130' es por tanto idéntico al campo de microlente 120', pero en su orientación está dispuesto invertido en la dirección x. Limitando con el tercer campo de microlente 130' un sensor de imagen digital 430 está dispuesto en una distancia al de aproximadamente 1,3 mm respecto al tercer campo de microlente 130'. El sensor de imagen 430 digital puede presentar en una superficie dirigida al tercer campo de microlente 130' un cristal externo para proteger el sensor de imagen digital 430. El primer campo de microlente 120', el segundo campo de microlente 140' y el tercer campo de microlente 130' están dispuestos de manera que una lente de reproducción 120 del primer campo de microlente 120' con una lente de campo 140 del segundo campo de microlente 140' y una lente de reproducción 130 del tercer campo de microlente 130' forman en cada caso un canal óptico 110. El dispositivo 400 o los canales ópticos 110 son simétricos alrededor de un eje de simetría 170 del dispositivo 400 o de los canales ópticos 110. El sensor de imagen 430 con una extensión de por ejemplo 6,55 mm x 4,92 mm fija asociado con los canales ópticos 110 las dimensiones de la zona de objeto que puede reproducirse como máximo. El sensor de imagen 430 presenta además píxeles individuales con un diámetro de por ejemplo 3,2 jm, lo que corresponde por tanto al detalle más pequeño posible que pueda representarse del campo de objeto. Debido a la simetría del dispositivo 400 el patrón de prueba 420 o, al menos un parte del mismo 1 1 se reproduce en el sensor de imagen 430, es decir no tiene lugar ni un aumento ni una disminución del patrón de prueba 420. El dispositivo de iluminación 410 sirve para la iluminación del patrón de prueba 420.
Cabe mencionar que todas las medidas de longitud y materiales mencionados en los ejemplos de realización anteriores, representan valores y materiales únicamente ejemplificativos y por tanto de ningún modo han de entenderse como limitativos.
Debido al uso de una reproducción 1 1 en ejemplos de realización de la presente invención que permite una simetría entre objeto y espacio de imagen, la óptica en ejemplos de realización, a diferencia de lo que suele ser habitual puede ser simétrica. La simetría absoluta alrededor del plano de imagen intermedia se aprovecha en el diseño de manera ilimitada y se prefiere, independientemente de cómo sea la distribución de las lentes y aperturas en sustratos y brechas de aire eventuales, por lo que se hace posible una corrección intrínseca de coma, distorsiones y aberraciones cromáticas laterales. Cabe mencionar que hasta ahora solo se conocía una corrección intrínseca para la simetría alrededor de la apertura de sistema de un dispositivo óptico. No obstante ejemplos de realización de la presente invención alcanzar con una simetría alrededor del plano de imagen intermedia efectos positivos de manera similar. Mediante la utilización de sustratos finos puede alcanzarse un astigmatismo bajo.
Ejemplos de realización adicionales pueden comprender esferas para la corrección de aberraciones esféricas. Es decir que al menos una de las dos lentes de reproducción o la lente de campo está configurada como una lente esférica. Además mediante la combinación de materiales de diferentes propiedades de dispersión para la realización de lentes acromáticas, tal como se ha mostrado en las figuras 2a a b mediante la lente de reproducción 120 puede alcanzarse una corrección de la aberración cromática longitudinal.
En ejemplos de realización adicionales de la presente invención pueden estar dispuestos varios canales ópticos en una disposición hexagonal con forma hexagonal de los diafragmas de campo en el plano de imagen intermedia y de este modo puede alcanzarse un factor de llenado maximizado y por tanto una intensidad luminosa máxima.
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Mediante la utilización de numerosos diafragmas e intensa disminución de imagen intermedia en ejemplos de realización adicionales de la presente invención y por tanto de diámetro de diafragma pequeños con respecto a la distancia de canal puede alcanzarse una supresión efectiva de luz residual.
Aunque en los ejemplos de realización mostrados las distancias de las lentes y planos y por tanto también la extensión lateral de los ejemplos de realización era constante, entonces ejemplos de realización de la invención adicionales pueden presentar distancias variables. Esto puede alcanzarse por ejemplo mediante una introducción de actuadores en todas o algunas brechas de aire determinada. Dicho de otro modo, las distancias por ejemplo entre el plano de objeto y la primera lente de reproducción, entre la primera lente de reproducción y la lente de campo, entre la lente de campo y la segunda lente de reproducción y entre la segunda lente de reproducción y el plano de imagen pueden variar. Esto hace posible una captura de perfiles de captura o perfiles topológicos (el denominado „barrido en z"). Cuando F/# es suficientemente pequeño, hay solo un intervalo de profundidad de campo limitado, por lo que desde la posición del actuador se conoce que distancia de objeto se reproduce precisamente nítida. Esto hace posible la captura de una imagen 3D, que se compone de la resolución lateral 2D y de la información de a qué altura se encuentra esta escena. Para obtener la simetría del dispositivo, deben variar preferiblemente al mismo tiempo distancia de objeto y de imagen, así como ambas distancias de la primera y segunda lente de reproducción hacia y desde el plano de imagen intermedia. Estas dos distancias deben variar no obstante solo menos y conjuntamente en la dirección contraria, para que al mismo tiempo se mantenga la reproducción nítida y la conexión de objeto o imagen, dicho de otro modo, no sólo debe mantenerse una focalización global, sino también la de la imagen intermedia. Ejemplos de realización de la presente invención pueden hacer posible con ello por tanto la microscopía 3D.
Una variación de la distancia de las lentes o planos entre sí puede alcanzarse por ejemplo mediante elementos piezoeléctricos o MEMS colocados en los espacios de aire.
Una variante de un ejemplo de realización concreto, tal como se muestra en la figura 4, con la distribución de las lentes en solo cuatro sustratos o tres elementos, puede representar el gasto técnico mínimo para el estado de corrección óptico alcanzado, naturalmente también puede utilizarse un mayor número de lentes o sustratos observando la simetría de todo el dispositivo o de los canales ópticos. Mediante la utilización de un planteamiento de campo, es decir una utilización de campo de microlentes, tal como se ha mostrado en la figura 4, y una tecnología de fabricación Waferlevel (a nivel de oblea) puede alcanzarse en ejemplos de realización de la presente invención una ajustabilidad lateral en escala aproximadamente discrecional.
Además puede decirse que en ejemplos de realización con un gran número canales ópticos para alcanzar una conexión a modo de objeto de imagen, debe preferirse una reproducción 1 1.
Una disminución podría emplearse también, mientras que en un aumento se perderían detalles de objeto en el caso de una reproducción mediante los campos de microlente, dado que una imagen no puede ser mayor que una distancia de canal sin perder informaciones, esto es válido en particular para el caso de que en el plano yz, es decir en perpendicular a la trayectoria de los rayos del dispositivo de reproducción no pueda/deba moverse nada, es decir que no se realice ninguna exploración o escaneo. Si se realiza no obstante una exploración en el plano yz entonces de este modo la zona de objeto representada puede ser a su vez menor que la distancia de canal.
Ejemplos de realización podrían hacer posible por tanto una exploración en el plano yz, para explorar una zona de objeto que es menor que la distancia de canal. Dicho de otro modo, en ejemplos de realización pueden evitarse huecos de exploración mediante un movimiento en el plano yz.
Una meta es por tanto alcanzar al menos una conexión de campo de objeto, en el mejor de los casos con conexión de campo de imagen simultánea, lo que imponen sin embargo requisitos difíciles de cumplir en cuanto a las tolerancias de la fabricación y montaje, dado que siempre al mismo tiempo dentro del canal individual deben exigirse reproducciones nítidas.
En ejemplos de realización de la presente invención es preferible cuando en los puntos de conexión de imágenes de varios canales ópticos existen solo zonas mínimas, donde dos canales adyacentes actúan al mismo tiempo, es decir que los canales ópticos se solapan en sus zonas de registro solo ligeramente. En el caso de que deba alcanzarse una conexión de los campos de objeto individuales, puede esperarse una redundancia dado que esta puede utilizarse o corregirse electrónicamente siempre que no exista ningún hueco de exploración o no falte ninguna información desde el objeto de imagen.
En el caso de una reproducción algo disminuida, es decir en una conexión solo de campo de objeto se forman imágenes parciales aisladas geométricamente unas de otras que pueden componerse electrónicamente.
En ejemplos de realización de la presente invención pueden estar dispuestos diferentes sensores de imagen digitales en el plano de imagen, como por ejemplo CCD, CMOS, sensores de imagen o también campos de fotodiodos de polímeros, que realmente son planos. Ejemplos de realización de la presente invención pueden
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extenderse en sus dimensiones en una oblea completa, por ejemplo 4 pulgadas, 6 pulgadas o 8 pulgadas.
La utilización de campos de fotodiodos de polímero puede reducir adicionalmente la fabricación de dispositivos según ejemplos de realización de la presente invención, dado que la utilización de CMOS y CCD en este momento causa todavía problemas en los costes. El tamaño de la superficie de imagen mediante una reproducción 1 1 por tanto ya no es un problema a largo plazo con la utilización de campos de fotodiodos de polímero.
Otros ejemplos de realización de la presente invención pueden llevar a cabo por ejemplo una corrección de luminancia (la así llamada “shading-correction") para calibrar modulaciones de luminancia como artefactos de la geometría de campo en cuanto al software, es decir por ejemplo por cada tabla (la así llamada „Look up Table"(tabla de consulta)).
Además en ejemplos de realización puede utilizarse un movimiento de la óptica en al menos un periodo de canal o también preferiblemente varios, durante el tiempo de iluminación o de manera preferible claramente con más frecuencia para poder corregir artefactos que resultan de la geometría de campo de la disposición, o defectos de canal sin procesamiento de imágenes („shading-correction" (corrección de sombra)), o determinar objetos de interferencia para puntos de objeto que se transmite por dos canales adyacentes al mismo tiempo. Este movimiento puede llevarse a cabo por ejemplo con actuadores piezoeléctricos de flexión, pilas piezoeléctricas, una pila piezoeléctrica multiplicada mecánicamente, una bobina o también un actuador eléctrico.
Los sensores de imagen digitales empleados en ejemplos de realización de la presente invención pueden presentar preferiblemente una resolución mejor de 200...300 pares de líneas pro mm, lo que corresponde a un tamaño de píxel de 2,5...1,67 |jm. Para estos tamaños el límite de difracción y ya no el tamaño de píxel o aberraciones ópticas domina la capacidad de resolución. Mediante una reducción del número de diafragma (F/#) esto, así como la intensidad luminosa del sistema puede mejorarse adicionalmente, creciendo no obstante el porcentaje de aberraciones ópticas de manera desproporcionada.
Ejemplos de realización de la presente invención se caracterizan por una longitud de construcción extremadamente reducida. Por ejemplo la distancia entre objeto e imagen puede ser mucho menor de 1 cm. Además la superficie de objeto que puede controlarse se ajusta a escala con la superficie de sensor de imagen o con la imagen de los canales empleados en el campo óptico, lo que puede llevar a una superficie de mucho mayor de 1 cm2 o incluso mayor 7 cm2. Además los objetos mínimamente controlados están solo parcialmente limitados por el tamaño de píxel del sensor de imagen digital utilizado, que por ejemplo pueden ser mucho menor de 5 jm o incluso menor de 2 jm, por lo que mediante el planteamiento óptico que minimiza las aberraciones consecuentemente mediante la utilización de un gran número de canales ópticos que pueden aplicarse en ejemplos de realización de la presente invención se hace posible una resolución alta.
La utilización de polímeros en ejemplos de realización, como por ejemplo la tecnología ORMOCER sobre vidrio hace posible la fabricación sobre la base de soldadura por refusión y es muy adecuada para campos de diafragma sobre los sustratos de vidrio y para remodelar estructuras ya moldeadas para la acromatización, tal como se ha descrito por ejemplo en las figuras 2a a 2b mediante la lente de reproducción 120.
Al menos algunos ejemplos de realización de la presente invención pueden fabricarse además de manera rentable dado que pueden ensamblarse en el nivel de oblea. Además cabe mencionar que pueden fabricase ejemplos de realización de la presente invención como unidad en campos y no como componentes laterales individuales, por lo que se omite una composición posterior complicada de los componentes individuales.
Pueden emplearse ejemplos de realización por ejemplo en la microscopía digital, en la macrofotografía, en la ingeniería médica, en la microscopia fluorescente o también en la monitorización de incubadora („Incubator- Monitoring").

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    REIVINDICACIONES
    1. Dispositivo para la reproducción óptica al menos de una parte de un objeto en una zona de un sensor de imagen digital, con:
    un canal óptico (110) que comprende una primera lente de reproducción (120) dispuesta sobre un primer sustrato, una segunda lente de reproducción (130) dispuesta sobre un segundo sustrato y una lente de campo (140) dispuesta sobre un tercer sustrato;
    siendo idénticas la primera lente de reproducción (120) y la segunda lente de reproducción (130); estando dispuestas la primera lente de reproducción (120) y la segunda lente de reproducción (130) de manera que una primera superficie (240) de la primera lente de reproducción (120) es una superficie de entrada de luz (180) del canal óptico (110), y una primera superficie (240) de la segunda lente de reproducción (130) es una superficie de salida de luz (182) del canal óptico (110);
    estando dispuesta la lente de campo (140) entre la primera lente de reproducción (120) y la segunda lente de reproducción (130) de modo que un eje que discurre perpendicularmente a la extensión lateral del canal óptico (110) a través de un punto central lateral de la lente de campo (140) forma un eje de simetría (170) del canal óptico (110); caracterizado porque la primera lente de reproducción (120) y la segunda lente de reproducción (130) comprenden en cada caso dos diafragmas (250, 260) con transparencia que varía localmente; estando dispuestos los dos diafragmas (250, 260) de la primera lente de reproducción (120) lateralmente el uno detrás del otro entre la primera superficie (240) de la primera lente de reproducción (120) y una segunda superficie (210) de la primera lente de reproducción (120); y
    estando dispuestos los dos diafragmas (250, 260) de la segunda lente de reproducción (130) lateralmente el uno detrás del otro entre la primera superficie (240) de la segunda lente de reproducción (130) y una segunda superficie (210) de la segunda lente de reproducción (130).
  2. 2. Dispositivo según reivindicación 1, en el que la parte del objeto que va a reproducirse se encuentra en un plano de objeto (150) del canal óptico (110), y la zona del sensor de imagen digital (430) en la que se reproduce la parte del objeto se encuentra en un plano de imagen (160) del canal óptico (110); siendo una extensión del plano de objeto (150) del canal óptico (110) idéntica a una extensión del plano de imagen (160) del canal óptico (110).
  3. 3. Dispositivo según reivindicación 1 o 2, en el que una segunda superficie (210) de la primera lente de reproducción (120) dirigida a la lente de campo (140) y una segunda superficie (210) de la segunda lente de reproducción (130) dirigida a la lente de campo (140) están configuradas como lentes acromáticas para reducir aberraciones cromáticas longitudinales, y/o son esféricas para reducir aberraciones esféricas.
  4. 4. Dispositivo según reivindicación 2 o 3, en el que una distancia lateral desde el plano de objeto (150) del canal óptico (110) respecto a un plano de imagen intermedia (190) del canal óptico (110) es variable y en el que una distancia lateral desde el plano de imagen (160) del canal óptico (110) respecto al plano de imagen intermedia (190) del canal óptico (110) es variable; y
    discurriendo el plano de imagen intermedia (190) del canal óptico (110) en paralelo al plano de objeto (150) y en paralelo al plano de imagen (160) del canal óptico (110) a través del punto central lateral de la línea de campo (140).
  5. 5. Dispositivo según reivindicación 4, con al menos un actuador, que está configurado para modificar la distancia de la primera lente de reproducción (120) con respecto al plano de imagen intermedia (190) y la distancia de la segunda lente de reproducción (130) con respecto al plano de imagen intermedia así como la distancia entre la segunda lente de reproducción (130) y el plano de imagen (160), de modo que una modificación de la distancia del plano de objeto (150) con respecto al plano de imagen intermedia (190) lleva a una modificación alineada de la distancia del plano de imagen (160) con respecto al plano de imagen intermedia (190) y en este sentido se mantiene la escala de reproducción del canal óptico (110).
  6. 6. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 5, en la que la lente de campo (140) comprende un diafragma (370), estando dispuesto el diafragma (370) en el punto central lateral de la lente de campo (140), y el eje de simetría (170) del canal óptico (110) forma un eje de simetría de la lente de campo (140).
  7. 7. Dispositivo según reivindicación 6, en el que el diafragma (370) de la lente de campo (140) presenta una abertura hexagonal y está configurado como un diafragma de apertura del canal óptico (110).
  8. 8. Dispositivo según una de las reivindicaciones 6 o 7, en el que la lente de campo (140) presenta una pluralidad de diafragmas (360, 380); estando dispuesto un primer diafragma (360) de la pluralidad de diafragmas (360, 380) lateralmente delante del diafragma (370) dispuesto en el punto central lateral de la lente de campo (140); estando dispuesto un segundo diafragma (380) de la pluralidad de diafragmas (360, 380) lateralmente detrás del diafragma (370) dispuesto en el punto central lateral de la lente de campo (140); y siendo una distancia lateral del primer diafragma (360) de la pluralidad de diafragmas (360, 380) con respecto al diafragma (370) dispuesto en el punto central lateral de la lente de campo (140) idéntica a una distancia lateral del segundo diafragma (380) de la pluralidad de diafragmas (360, 380) con respecto al diafragma (370) dispuesto en el punto central lateral de la lente
    de campo (140).
  9. 9. Dispositivo según una de las reivindicaciones 2 a 8, con un sensor de imagen digital (430), que está dispuesto en el plano de imagen (160).
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  10. 10. Dispositivo según una de las reivindicaciones 2 a 9, con al menos un actuador, que está configurado para mover el canal óptico (110) perpendicularmente a la extensión lateral del canal óptico (110), de modo que la parte del objeto que va a reproducirse situada en el plano de objeto (150) del canal óptico (110) varía.
    10 11. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 10, con al menos un canal óptico adicional idéntico al primer
    canal óptico (110), estando dispuestos los canales ópticos (110) en una distribución hexagonal de modo que zonas de registro de los canales óptico (110) se solapan parcialmente.
  11. 12. Dispositivo según reivindicación 11, en el que la primera lente de reproducción (120) del primer canal óptico 15 (110) y una primera lente de reproducción (120) del al menos un canal óptico adicional están dispuestos sobre un
    primer sustrato de soporte común y forman un campo (120') de primeras lentes de reproducción (120); estando dispuestas la segunda lente de reproducción (130) del primer canal óptico (110) y una segunda lente de reproducción (130) del al menos un canal óptico adicional sobre un segundo sustrato de soporte común y forman un campo (130') de segundas lentes de reproducción (130); y
    20 estando dispuestas la lente de campo (140) del primer canal óptico (110) y una lente de campo (140) del al menos un canal óptico adicional sobre un tercer sustrato de soporte común y forman un campo (140') de lentes de campo (140).
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