ES2897682T3

ES2897682T3 - Aparato óptico con una estructura que permite un funcionamiento invariante en medio líquido

Info

Publication number: ES2897682T3
Application number: ES11708574T
Authority: ES
Inventors: Zeev Zalevsky; Ofer Limon
Original assignee: Brien Holden Vision Institute Ltd
Current assignee: Brien Holden Vision Institute Ltd
Priority date: 2010-02-09
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2022-03-02
Anticipated expiration: 2031-02-09
Also published as: US11199651B2; US20150070766A1; US8169716B2; US20170038503A1; US8531783B2; IL219971A0; US9500875B2; EP2533723A1; IL219973A0; US20130050473A1; HUE041543T2; US11802997B2; US11079517B2; EP3961290A1; US10175392B2; US20110194195A1; ES2859669T3; WO2011099003A1; US8913331B2; HUE054432T2

Abstract

Una lente (200) que comprende: una superficie (210) que tiene un relieve modulado que comprende una pluralidad de regiones que incluyen una primera región (220) y una segunda región (230), en la que la primera región es una región de ajuste de fase configurada para ampliar una profundidad de campo de la lente, caracterizada porque la primera región (220) tiene una profundidad (240) con respecto a la segunda región (230) de aproximadamente 1,0 micrómetros a aproximadamente 1,5 micrómetros; y se forma una pluralidad de nanoestructuras (260) en la primera región (220); en donde un espaciado (280) entre nanoestructuras adyacentes (260) de la pluralidad de nanoestructuras se hace más pequeño que la longitud de onda más corta en el espectro visible de manera que la primera región (220) no difracta sustancialmente la luz visible.

Description

DESCRIPCIÓN

Aparato óptico con una estructura que permite un funcionamiento invariante en medio líquido

CAMPO Y ANTECEDENTES

[0001] La presente invención se refiere en general a sistemas y aparatos ópticos, en particular, a lentes ópticas que tienen una profundidad de campo extendida.

[0002] Se han desarrollado varios enfoques para obtener una mayor profundidad de campo de un aparato óptico. Las tecnologías recientes que implican una profundidad de campo extendida para varias aplicaciones ópticas, incluidas las aplicaciones oftálmicas, están utilizando ranuras anulares en una lente estándar para crear un retardo de fase que conduce a un patrón de interferencia a lo largo de la distancia focal que, cuando se controla adecuadamente, puede proporcionar una profundidad de campo extendida. Un ejemplo de este enfoque se describe en la Patente de los Estados Unidos N° 7365917. Otras técnicas para extender la profundidad de campo incluyen la presentación de elementos ópticos difracionales que pueden difractar la señal óptica en diferentes órdenes de difracción, logrando así una lente bifocal o multifocal que permite una visión clara para diferentes distancias de objetos utilizando una única lente pasiva. Ambas tecnologías implementan la remodelación de fase introduciendo una remodelación geométrica de la lente lateral (es decir, a lo largo de la superficie de la lente) que produce el retardo de fase requerido a lo largo de unas pocas micras en el eje longitudinal de la lente. La patente estadounidense US 2009147378 A1 describe un sistema de formación de imágenes para su uso en la formación de imágenes de rango múltiple de una escena de objeto mediante luz incoherente. El sistema de formación de imágenes comprende una sección de máscara de fase alineada, una sección de lente de enfoque único y una matriz de detectores de píxeles. La sección de máscara de fase tiene una variación de fase generalmente no difractiva, delimitada estrechamente, correspondiente a un perfil de una función de transferencia modulada (MTF) a través de objetos del sistema de imágenes, donde el perfil tiene, al menos una frecuencia espacial distinta de cero, al menos dos regiones de crecimiento que conducen a un MTF superior al 10%.

DESCRIPCIÓN GENERAL

[0003] Los aspectos y realizaciones de la presente invención se establecen en las reivindicaciones independientes 1 y 13 adjuntas y las reivindicaciones dependientes 2-12 y 14.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

[0004] A continuación se analizan varios aspectos de al menos una forma de realización. con referencia a las figuras adjuntas, que no están destinadas a ser dibujadas a escala. Cuando las características técnicas de las figuras, descripción detallada o cualquier reivindicación van seguidas de signos de referencia, los signos de referencia se han incluido con el único propósito de aumentar la inteligibilidad de las figuras, descripción detallada y reivindicaciones. Por consiguiente, ni los signos de referencia ni su ausencia están destinados a tener un efecto limitante sobre el alcance de los elementos de la reivindicación. En las figuras, cada componente idéntico o casi idéntico que se ilustra en varias figuras está representado por un número similar. Para mayor claridad, no todos los componentes pueden estar etiquetados en todas las figuras. Las figuras se proporcionan con fines ilustrativos y explicativos y no pretenden ser una definición de los límites de la invención. En las figuras:

FIG. 1 es un diagrama de bloques de un ejemplo de un aparato de formación de imágenes según aspectos de la invención;

FIG.2A es un diagrama de un ejemplo de una lente que incluye un elemento de ajuste de fase según aspectos de la invención;

FIG. 2B es un diagrama de otro ejemplo de una lente que incluye un elemento de ajuste de fase según aspectos de la invención;

FIG. 3A es una vista en planta esquemática de la lente de la FIG. 2A;

FIG. 3B es una vista en planta esquemática de la lente de la FIG. 2B;

FIG. 4 es un diagrama de un elemento de ajuste de fase de referencia simulado;

FIG. 5 es un diagrama de la distribución de fase del campo eléctrico perpendicular a lo largo del elemento de referencia simulado de la FIG. 4;

FIG. 6A es un diagrama de un ejemplo simulado de un elemento de ajuste de fase que incluye una matriz de nanoestructuras según aspectos de la invención;

FIG. 6B es una vista ampliada de la parte de la FIG. 6A contenida en la caja 6B en la FIG. 6A, que ilustra las nanoestructuras simuladas según aspectos de la invención;

FIG. 7 es un diagrama de la distribución de fase del campo eléctrico perpendicular a lo largo del elemento de ajuste de fase simulado de la FIG. 6A;

FIG. 8A es un diagrama de una sección transversal de la fase a lo largo de la dirección de propagación de la luz en el elemento de ajuste de fase simulado de la FIG. 6A para un período de nanoestructura de 300 nanómetros y un espaciado de nanoestructura de 200 nanómetros; y

FIG. 8B es un diagrama de una sección transversal de la fase a lo largo de la dirección de propagación de la luz en el elemento de ajuste de fase simulado de la FIG. 6A para un período de nanoestructura de 350 nanómetros y un espaciado de nanoestructura de 250 nanómetros.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

[0005] Como se discutió anteriormente, varias tecnologías para extender la profundidad de campo de una lente implementan un elemento de ajuste de fase para remodelar la fase de la señal óptica que pasa a través de la lente, logrando así una profundidad de campo extendida. Para mantener una remodelación de fase precisa, la diferencia del índice de refracción entre el elemento de ajuste de fase y su entorno debe controlarse con alta precisión. Sin embargo, en entornos líquidos, la presencia del líquido en el elemento de ajuste de fase puede alterar significativamente el índice de refracción del elemento. Por ejemplo, en aplicaciones oftálmicas, la presencia variable de lágrimas en los ojos puede crear una gran incertidumbre con respecto al índice de refracción del espacio que rodea al elemento de ajuste de fase en un momento dado. Los aspectos y realizaciones están dirigidos a un elemento de ajuste de fase que tiene una estructura que proporciona un rendimiento invariante en líquido del elemento de ajuste de fase. En una forma de realización, el elemento de ajuste de fase incluye al menos una región que tiene una matriz de nanoestructuras formadas en ella. La región o regiones producen un retardo de fase en el eje longitudinal de la lente (es decir, a lo largo de un eje óptico de la lente) para lograr una profundidad de campo extendida para la lente, y las nanoestructuras inhiben el movimiento microfluídico dentro del elemento de ajuste de fase para proporcionan remodelación de fase invariante líquida, como se analiza más adelante.

[0006] La fraseología y la terminología utilizadas en este documento tienen el propósito de describir y no deben considerarse limitantes. El uso en el presente documento de "que incluye", "que comprende", "que tiene", "que contiene", "que implica" y variaciones de los mismos pretende abarcar los elementos enumerados a continuación y sus equivalentes, así como elementos adicionales. Las referencias a "o" pueden interpretarse como inclusivas de modo que cualquier término descrito usando "o" puede indicar cualquiera de uno, más de uno y todos los términos descritos. Cualquier referencia a la parte delantera y trasera, izquierda y derecha, superior e inferior, superior e inferior, y vertical y horizontal está destinada a la conveniencia de la descripción, sin limitar los sistemas y métodos presentes o sus componentes a cualquier orientación posicional o espacial.

[0007] Haciendo referencia a la FIG. 1, se ilustra un diagrama de bloques de un aparato de formación de imágenes 100 según una forma de realización que está configurado para visualizar un objeto 110. El aparato de formación de imágenes 100 incluye una lente 120, un elemento de ajuste de fase 130 y un detector 140, y también puede incluir un procesador 160 configurado para procesar imágenes de la luz detectada por el detector 140. El elemento de ajuste de fase 130 está configurado para proporcionar una profundidad de campo extendida invariante para el líquido para la lente 120, como se explica más adelante. El elemento 130 de ajuste de fase puede ser un elemento separado unido a la lente 120 o ubicado cerca de la misma, o puede implementarse integralmente con la lente 120, por ejemplo, como un relieve de la superficie de la lente como se describe más adelante. Por ejemplo, el elemento 130 de ajuste de fase puede incluir un patrón de regiones 150 ópticamente transparentes espaciadas que tienen un índice de refracción diferente y/o un grosor diferente en comparación con otras regiones del elemento de ajuste de fase y/o lente y, por lo tanto, afectan la fase de la luz que lo atraviesa. Las diferencias de fase causadas por la(s) región(es) 150 son pequeñas, por ejemplo, menores que n . Para ampliar la profundidad de campo de la lente 120, las diferencias de fase provocadas por la(s) región(s) 150 están diseñadas para crear un patrón de interferencia constructivo/destructivo de la luz que pasa a través del elemento de ajuste de fase. Si un líquido entra en la(s) región(es) 150, el índice de refracción de la región cambiará y, por lo tanto, la diferencia de fase también cambiará, dando como resultado un cambio en el patrón de interferencia causado por el elemento de ajuste de fase 130. Para evitar esto situación, según una forma de realización, la(s) región(es) 150 del elemento 130 de ajuste de fase están "rugosas" para evitar que el líquido entre en la(s) región (s); mejorando así la robustez de la profundidad de campo ampliada de la lente 120 en entornos donde puede haber líquido presente.

[0008] El aparato de imagen 100 se puede utilizar en una amplia variedad de equipos y aplicaciones, como, por ejemplo, cámaras, aplicaciones de visión artificial, fotografía, sistemas de televisión, sistemas de videoconferencia, sistemas de imágenes de radar, endoscopia e inspecciones pasivas bio-médicas, tomografías, paneles de visualización, etc. Las realizaciones del aparato de imágenes también se pueden usar en aplicaciones oftálmicas, como lentes de contacto, lentes para gafas, lentes intraoculares o cualquier otra lente que se use alrededor o se inserte en cualquier parte del ojo. . En estas aplicaciones, el detector 140 puede ser la retina y el procesador 160 puede incluir parte del cerebro.

[0009] Como se discutió anteriormente, de acuerdo con una forma de realización, el elemento de ajuste de fase 130 se implementa integralmente con la lente 120. Por consiguiente, en referencia a la FIG.2A, se ilustra un diagrama de una lente 200 que incluye un elemento de ajuste de fase según una forma de realización. La lente 200 tiene una superficie 210 que tiene un relieve modulado que comprende así una pluralidad de regiones que incluyen una primera región 220 y una segunda región 230. La primera región 220 está rebajada y tiene una profundidad 240 con respecto a la segunda región 230. Una pluralidad de las nanoestructuras 260 se forma en la primera región 220, extendiéndose hacia arriba desde la base de la primera región, como se ilustra en la FIG. 2A. El elemento 130 de ajuste de fase comprende la combinación de la superficie 210 de la lente modulada y la pluralidad de nanoestructuras 260. Como se usa en este documento, el término "nanoestructura" está destinado a referirse a una estructura de tamaño intermedio entre molecular y microscópica (micrómetros), y que es pequeño en relación con el tamaño del objeto general en el que se forma. El término "nanoestructura" como se usa en este documento no requiere que la estructura sea menor de 100 nanómetros en una dimensión dada.

[0010] Haciendo referencia a la FIG. 2A, la primera región 220 tiene una anchura lateral 250 que es al menos una longitud de onda en el extremo inferior (rojo) del espectro visible. En un ejemplo, la anchura lateral 250 de la primera región es grande en comparación con las longitudes de onda de la luz visible, por ejemplo, al menos varias longitudes de onda en el extremo inferior del espectro visible. Por lo tanto, el relieve de la superficie de la lente 200 no causa la difracción de la luz que pasa visible a través del elemento de fase de ajuste debido a que el relieve de superficie es lateralmente grande en comparación con el longitudes de onda de luz visible. Las nanoestructuras 260 tienen cada una una anchura lateral 270 y están separadas entre sí por un espaciado 280. Este espaciamiento 280 puede hacerse pequeño de modo que la onda de luz no se vea sustancialmente afectada salvo para ver un cambio en el índice medio de refracción de la primera. región. El espaciado 280 puede seleccionarse basándose en al menos los siguientes factores. Primero, la separación 280 es menor que aproximadamente una longitud de onda en el extremo superior (azul) del espectro de luz visible para evitar la difracción por dispersión y evitar la generación de órdenes de difracción no deseadas. En segundo lugar, como se analiza más adelante, la densidad de las nanoestructuras (determinada por el espaciado 280) y la profundidad 240 de la primera región 220 se seleccionan para proporcionar un índice de refracción promedio deseado para la primera región. Además, el espaciamiento 280 se selecciona para evitar el movimiento microfluídico en la primera región 220, como también se analiza más adelante. La altura de las nanoestructuras 260 puede ser hasta aproximadamente la profundidad 240. En una forma de realización, la profundidad 240 de la primera región 220 es pequeña, por ejemplo, menor que la longitud de onda óptica.

[0011] Según una forma de realización, la matriz de nanoestructuras 260 forma una rejilla binaria que tiene un índice de refracción medio. Debido a que la separación 280 entre las nanoestructuras 260 es más pequeña que la longitud de onda óptica, la matriz de nanoestructuras no difracta la luz visible; en cambio, la luz "ve" la primera región 220 como un todo que tiene un índice de refracción promedio, determinado por el material de las nanoestructuras y la sustancia intersticial (por ejemplo, el líquido o aire circundante), en lugar de una matriz de nanoestructuras distintas. Como resultado, el elemento de ajuste de fase no es difractivo a la luz visible que lo atraviesa; en cambio, sustancialmente toda la luz permanece en el orden cero. Por consiguiente, el elemento de ajuste de fase puede denominarse "no difractivo" a la luz visible. El elemento de ajuste de fase también puede no ser refractivo porque no proporciona potencia óptica. Debe apreciarse que aunque el elemento de ajuste de fase también puede no ser refractivo, la lente óptica asociada 200 puede ser refractiva. Como se usa en el presente documento, el término "no difractivo" pretende significar una estructura que puede no ser difractiva (como se describe anteriormente) y tampoco refractiva (como se describe anteriormente).

[0012] El elemento de ajuste de fase 130 puede formarse usando cualquiera de una variedad de técnicas, dependiendo, por ejemplo del material de la lente 200 y si o no el elemento de ajuste de fase 130 es integral con la lente o un elemento separado. Por ejemplo, el elemento de ajuste de fase puede formarse grabando selectivamente la superficie de la lente 210 para crear el relieve modulado y la matriz de nanoestructuras. En este ejemplo, las nanoestructuras 260 pueden formarse simultáneamente con el patrón del relieve de la superficie y están hechas del mismo material que la propia lente. El proceso de grabado puede ser un proceso de grabado químico o un proceso de grabado mecánico. En otro ejemplo, las nanoestructuras se pueden formar usando un proceso de deposición para depositar o "hacer crecer" las nanoestructuras en la superficie 210 de la lente 200, en cuyo caso las nanoestructuras pueden comprender el mismo material que la lente o un material diferente.

[0013] En el ejemplo ilustrado en la FIG. 2A, la primera región 220 es una región aproximadamente circular formada en la superficie de la lente 200, como se ilustra en la FIG. 3B. Sin embargo, debe apreciarse que la primera región 220 puede adoptar numerosas formas, sin limitarse al ejemplo ilustrado en las Figs. 2A y 3A. Por ejemplo, refiriéndose a la FIG. 2B se ilustra otro ejemplo de una lente 200 en la que la primera región 220 es una región anular (como se ilustra en la FIG. 3B). La primera región 220 también puede asumir muchas otras formas, tales como, pero sin limitarse a, formas rectangulares, cuadradas y otras formas geométricas o no geométricas del mismo ancho lateral o diferentes anchos laterales. Además, aunque la FIG. 2A ilustra una única primera región 220, el elemento de ajuste de fase puede incluir múltiples primeras regiones 220 y múltiples segundas regiones 230, y no se limita a una única primera región o una única segunda región. Por ejemplo, la primera región 220 puede comprender una serie de regiones anulares concéntricas, que incluyen opcionalmente una región central sustancialmente circular, con una segunda región 230 dispuesta entre cada par adyacente de primeras regiones concéntricas. Además, la forma de la primera región 220 puede variar dependiendo de la forma de la lente 200. Además, la forma de las nanoestructuras no se limita a la forma triangular ilustrada en las FIGS. 2A y 2B. Las nanoestructuras pueden tener cualquiera de una variedad de formas, que pueden depender (al menos en parte) del proceso de fabricación utilizado para formar las nanoestructuras, y que pueden incluir, por ejemplo, formas rectangulares, de cúpula, cilíndricas o aleatorias.

[0014] El retraso de fase causado por la primera región 220 depende del índice de refracción medio de la región, que se determina por la profundidad 240 y la densidad de las nanoestructuras 260. La profundidad 240 se puede calcular según la siguiente ecuación:

[0015] En la ecuación (1), 5 es la profundidad 240, Áo es la longitud de onda nominal de la luz, n es el índice de refracción de la lente, neft es el índice de refracción promedio de la primera región 220, dada por la ecuación (2) siguiente, y ñ fd es el retraso de fase deseado que la primera región 220 está configurado para proporcionar.

[0016] En la ecuación (2), ú x es la anchura media 270 de las nanoestructuras 260, M es el número de nanoestructuras en la primera región 220, y L es el ancho lateral 250 de la primera región 220. En consecuencia, la profundidad 240 de la primera región 220 se puede calcular basándose en un retardo de fase deseado conocido y un índice de refracción promedio conocido de la primera región, y el índice promedio de la refracción se puede determinar basándose en un ancho lateral conocido 250 de la primera región y el tamaño y densidad de las nanoestructuras 260 dentro de la primera región.

[0017] Cualquiera de los parámetros antes mencionados se puede variar, sujeto a ciertas restricciones (tales como, por ejemplo, capacidad de fabricación y materiales adecuados para la lente, las limitaciones ópticas, etc.) para conseguir una estructura para el elemento de ajuste de fase que logra un retardo de fase deseado y por lo tanto un patrón de interferencia deseado para extender la profundidad de campo de la lente 200. Una restricción óptica es la densidad de las nanoestructuras 260. En particular, la separación 280 entre las nanoestructuras 260 puede ser menor que aproximadamente el valor nominal longitud de onda óptica Áo para evitar generar órdenes de difracción no deseadas. En un ejemplo, la separación 280 entre las nanoestructuras 260 es menor de 400 nanómetros (nm), por ejemplo, en un rango de aproximadamente 300 nm a 400 nm. El espaciamiento 280 puede hacerse más pequeño que la longitud de onda más corta en el espectro visible de modo que el elemento de ajuste de fase no sea difractivo a la luz visible. Las nanoestructuras 260 pueden hacerse casi adyacentes, particularmente porque los avances en las técnicas modernas de procesamiento químico han hecho posible lograr una estructura muy densa con buena repetibilidad; sin embargo, a medida que aumenta la densidad de las nanoestructuras en la primera región 220 , también aumenta el índice de refracción medio de la primera región. Por lo tanto, para mantener un índice de refracción promedio dado, para una matriz más densa de nanoestructuras 260, la profundidad 240 de la primera región 220 puede aumentarse, de acuerdo con las ecuaciones (1) y (2) dadas anteriormente. En un ejemplo, una profundidad 240 de aproximadamente 1 micrómetro (gm) a aproximadamente 1,5 gm es actualmente práctica para lentes de contacto oftálmicas.

[0018] Las nanoestructuras 260 pueden ser suficientemente estrechamente espaciadas para crear una tensión superficial que es mayor que la presión del líquido; por tanto, la matriz de nanoestructuras mantendrá un entorno de estado estable dentro de la primera región 220 incluso en presencia del líquido. Por ejemplo, para las lentes de contacto oftálmicas, las nanoestructuras pueden estar lo suficientemente separadas para evitar que las lágrimas entren en la primera región 220 a aproximadamente la presión atmosférica (experimentada en o cerca de la superficie de la Tierra). La lente 200 que incluye el elemento de ajuste de fase se puede configurar para tener en cuenta dos condiciones de estado estacionario en las que se evita sustancialmente el movimiento de microfluidos dentro de la primera región 220 . En la primera configuración, la matriz de nanoestructuras 260 evita que los líquidos penetren en la primera región 220 entre las nanoestructuras en un material hidrófobo. En la segunda configuración, la nanoestructura 260 está hecha de un material hidrófilo o se proporciona dicho material en el espacio entre las nanoestructuras 260 de la primera región 220 de manera que el espacio entre estas nanoestructuras se llena constantemente con el líquido circundante. La configuración de la lente 200 puede seleccionarse basándose en un entorno esperado en el que se utilizará la lente. Por ejemplo, en entornos donde el líquido solo está presente esporádicamente, puede preferirse la primera configuración. Las siguientes simulaciones, que demuestran el rendimiento de un ejemplo de la lente 200 que incluye una forma de realización del elemento de ajuste de fase, asumen un material hidrófilo y, por lo tanto, demuestran el rendimiento de la estructura para el caso de difracción más severo, ya que la longitud de onda de la luz es más corta debido a a la presencia del líquido.

[0019] Un ejemplo del elemento de ajuste de fase 130 que incluye una matriz de nanoestructura se simuló usando Comsol Multiphysics®, un programa de modelado y simulación disponible del

[0020] COMSOL Group, para resolver la ecuación de onda de Maxwell a través del método de elementos finitos. También se simuló un elemento de ajuste de fase de referencia, incluida la región empotrada sin ningún arreglo de nanoestructura, para proporcionar datos de referencia con los que comparar los resultados de la simulación obtenidos para el elemento de ajuste de fase 130 de ejemplo. Para ambas simulaciones, la iluminación fue una onda plana polarizada TE de incidencia normal que tiene una longitud de onda Áo de 550 nm en el espacio libre.

[0021] Un diagrama del elemento de referencia simulado 400 se ilustra en la FIG. 4. El elemento de referencia tiene una región rebajada 410, correspondiente a la primera región 220 de la lente 200 en la FIG. 2A, formada en un material circundante 420. La región empotrada 410 tiene un ancho 440 de 300 gm y una profundidad 430 (5) que coincide con la condición n de la ecuación (3):

[0022] En la ecuación (3), An es la diferencia entre el índice de refracción del material circundante 420 y el índice de refracción del entorno 450. Para las simulaciones, el material circundante se especifica como vidrio óptico BK7 que tiene un índice de refracción de 1,517, y el entorno 450 se especifica como agua que tiene un índice de refracción de 1.3. En consecuencia, de la ecuación (3), la región empotrada tenía una profundidad 5 = 1,267 |um. El ancho total de la estructura simulada es de 0,8 milímetros (mm) y la longitud (en la dimensión de la profundidad 450) es de 3,5 |um.

[0023] Haciendo referencia a la FIG. 5 se ilustra la distribución de fase simulada del campo eléctrico perpendicular a lo largo del elemento de referencia 400 de FIG. 4. La FIG. 5 demuestra que la diferencia de fase entre la región empotrada 410 y el material circundante 420 se suma linealmente a lo largo de la profundidad de la región empotrada 410 con un retardo de fase de n generado al final de la región empotrada de 1,267 |um. Por tanto, el elemento de referencia 400 implementa una placa de fase inversora.

[0024] Haciendo referencia a la FIG. 6A se ilustra un diagrama de un ejemplo simulado de un elemento 600 de ajuste de fase que incluye una matriz de nanoestructura formada en una primera región 610 correspondiente a la primera región 220 en la FlG. 2A. Rodeando la primera región 610 está la segunda región 620, correspondiente a la segunda región 230 en la FlG. 2A. La FlG. 6B es una vista ampliada de la parte del elemento 600 de ajuste de fase encerrada en la caja 6B en la FlG. 6A, que ilustra las nanoestructuras 630 formadas en la primera región 610. En el ejemplo simulado, 1000 nanoestructuras 630 están definidas en la primera región 610 y las nanoestructuras 630 están espaciadas uniformemente (es decir, dispuestas en un patrón regular a lo largo de la anchura 440 de la primera región 610) con un período de 300 nm y un ciclo de trabajo del 33,3% (es decir, cada nanoestructura tiene 100 nm de ancho y el espacio entre nanoestructuras adyacentes es de 200 nm). La anchura 440 de la primera región 610 es de 300 |um, la misma que la anchura 440 del elemento de referencia. El material de la segunda región 620 se especifica como BK7 con un índice de refracción de 1,517. Como puede verse en la FlG. 6B, y como se discutió anteriormente, para la simulación, el agua 450 llena completamente el espacio entre las nanoestructuras 630 en la primera región 610. Por lo tanto, el índice de refracción promedio para la primera región se puede calcular en base a los índices de refracción del BK7 (a partir de la cual se hacen las nanoestructuras) y el agua, y el ciclo de trabajo. A partir de la ecuación (3), para mantener el mismo desplazamiento de fase de n generado por el elemento de referencia, se hace que la profundidad 640 de la primera región 610 sea de 1,9 |um.

[0025] Se hace referencia ahora a la FIG. 7 que ilustra la distribución de fase del campo eléctrico perpendicular a lo largo del elemento 600 de ajuste de fase simulado. Como puede verse con referencia a la FlG. 7, la fase del campo eléctrico de la luz en la primera región 610 acumula un desplazamiento de fase lineal a lo largo de la profundidad de la primera región 610 y mantiene un frente de fase de onda plana tanto en la primera región 610 como en la segunda región 620. La fase a lo largo del extremo de la primera región 610 muestra una diferencia de fase de casi n y el campo de propagación mantiene la diferencia de fase hasta el final del elemento 600 de ajuste de fase simulado. Así, el elemento de ajuste de fase con las nanoestructuras 630 realiza una fase inversora cambiador que produce un frente de onda plano sin difracción causada por las nanoestructuras.

[0026] Las secciones transversales de la fase a lo largo de la dirección de propagación de la luz se ilustran en las FIGS. 8A y 8B. La FIG. 8A ilustra la fase para el elemento de ajuste de fase 610 discutido anteriormente que tiene una separación de 200 nm entre las nanoestructuras. Como puede verse con referencia a la FlG. 8A, el retardo de fase en la primera región 610 muestra una fase constante a lo largo de la primera región y el retardo de fase es lineal con la propagación de la luz dentro de la primera región 610. La FIG. 8B ilustra la fase para un ejemplo del elemento de ajuste de fase 610 con la matriz de nanoestructura que tiene un período de 350 nm y un ciclo de trabajo del 28%. Así, en el ejemplo de la FlG. 8B, cada nanoestructura 630 tiene 100 nm de ancho y el espacio entre nanoestructuras adyacentes es 250 nm. Las otras dimensiones y características del elemento 610 de ajuste de fase son las mismas que las discutidas anteriormente. Este mayor espaciado se acerca a la longitud de onda de la luz en BK7. Como puede verse con referencia a la FlG. 8B, la rugosidad en la fase implica un patrón de difracción menor causado por el mayor espaciado entre las nanoestructuras 630. Por lo tanto, para evitar cualquier tipo de difracción, el espaciado entre las nanoestructuras puede mantenerse por debajo de aproximadamente la mitad de la longitud de onda (en el espacio libre) para tener en cuenta el acortamiento de la longitud de onda de la luz a medida que atraviesa el material del elemento de ajuste de fase.

[0027] Con referencia de nuevo a la FIG. 7, la distorsión visible 710 en la fase en el borde de la primera región 610 es causada por la transición brusca entre la primera región 610 que contiene las nanoestructuras y la segunda región 620 debido a la diferencia en el índice de refracción entre las dos regiones. Esta distorsión se puede reducir "suavizando" la transición entre la primera región y la segunda región, por ejemplo, implementando un cambio gradual en el índice de refracción. En una forma de realización, el espaciamiento 280 entre las nanoestructuras 260 se hace variable con un espaciado más grande (y por lo tanto el índice de refracción más bajo) hacia un centro de la primera región 220 y un espaciado más pequeño (y por lo tanto el índice de refracción más alto, más cercano al índice de refracción de la segunda región 230) hacia los bordes de la primera región. Implementando un espaciado 280 que aumenta lentamente desde los bordes de la primera región hasta el centro de la primera región, se puede hacer que el índice de refracción promedio de la primera región cambie más gradualmente desde el de la segunda región, reduciendo cualquier distorsión de borde en la fase. Debe apreciarse que se pueden implementar muchas variaciones en el espaciado 280 entre las nanoestructuras. Por ejemplo, el espaciado 280 puede ser uniforme, puede aumentar desde los bordes de la primera región 220 hacia el centro de la primera región, puede estar "escalonado" (es decir, los grupos de nanoestructuras pueden tener cada uno un espaciado especificado que puede diferir del grupo al grupo), pueden variar de manera diferente a lo largo de diferentes ejes del elemento de ajuste de fase, o pueden ser aleatorios.

[0028] El elemento de ajuste de fase puede ser sustancialmente puramente de afección de fase de tal manera que se altera la fase de la luz que pasa a su través, pero no afecta sustancialmente la amplitud de la luz. En un ejemplo, la "rugosidad de la superficie" debida a las nanoestructuras 260 provoca un efecto de dispersión que provoca un pequeño cambio de amplitud en la luz. En otros ejemplos, sin embargo, el elemento de ajuste de fase está configurado para provocar un cambio sustancial y controlado en la amplitud de la luz así como en la fase.

[0029] Habiendo descrito así varios aspectos de al menos una forma de realización, se ha de apreciar diversas alteraciones, modificaciones y mejoras se les ocurrirán fácilmente a los expertos en la técnica. Tales alteraciones, modificaciones y mejoras están destinadas a ser parte de esta descripción y están destinadas a estar dentro del alcance de la invención. Por consiguiente, la descripción y los dibujos anteriores son sólo a modo de ejemplo, y el alcance de la invención debe determinarse a partir de la construcción adecuada de las reivindicaciones adjuntas.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una lente (200) que comprende:

una superficie (210) que tiene un relieve modulado que comprende una pluralidad de regiones que incluyen una primera región (220) y una segunda región (230), en la que la primera región es una región de ajuste de fase configurada para ampliar una profundidad de campo de la lente,

caracterizada porque

la primera región (220) tiene una profundidad (240) con respecto a la segunda región (230) de aproximadamente 1,0 micrómetros a aproximadamente 1,5 micrómetros; y

se forma una pluralidad de nanoestructuras (260) en la primera región (220);

en donde un espaciado (280) entre nanoestructuras adyacentes (260) de la pluralidad de nanoestructuras se hace más pequeño que la longitud de onda más corta en el espectro visible de manera que la primera región (220) no difracta sustancialmente la luz visible.

2. La lente (200) según la reivindicación 1, en donde la pluralidad de nanoestructuras (260) se extiende desde una base de la primera región (220).

3. La lente (200) según la reivindicación 1 o 2, caracterizada por al menos uno de los siguientes elementos:

la separación (280) entre nanoestructuras adyacentes (260) de la pluralidad de nanoestructuras es menor que aproximadamente una longitud de onda más corta de luz visible en espacio libre;

el espaciado (280) entre las nanoestructuras adyacentes (260) disminuye desde un espaciado más grande en el centro de la primera región (220) hasta un espaciado más pequeño en los bordes de la primera región (220);

la separación (280) entre las nanoestructuras adyacentes (260) es suficientemente pequeña para evitar que el agua penetre entre las nanoestructuras (260) a presión atmosférica;

las nanoestructuras (260) están uniformemente espaciadas entre sí.

4. La lente (200) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde las nanoestructuras (260) tienen una altura aproximadamente igual a la profundidad (240) de la primera región (220).

5. La lente (200) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde la primera región (220) tiene al menos una de las siguientes configuraciones:

es una región circular;

es una región anular;

comprende una pluralidad de regiones concéntricas.

6. La lente (200) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde la lente es una lente de contacto oftálmica.

7. La lente (200) según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, que tiene una profundidad de campo, en donde: la separación (280) entre nanoestructuras adyacentes (260) de la pluralidad de nanoestructuras es inferior a aproximadamente 400 nanómetros.

8. La lente según la reivindicación 7, en donde una densidad de la pluralidad de nanoestructuras y la profundidad de la región de ajuste de fase se seleccionan basándose al menos en parte en un índice de refracción medio deseado predeterminado de la región de ajuste de fase.

9. Un aparato de formación de imágenes (100) que comprende: una lente (120, 200) según la reivindicación 1.

10. El aparato de formación de imágenes (100) según la reivindicación 9, que comprende además:

un detector (140) acoplado ópticamente a la lente (120) y configurado para detectar la luz que pasa a través de la lente (120); y

un procesador (160) acoplado al detector (140) y configurado para producir una imagen a partir de la luz detectada por el detector (140).

11. El aparato de formación de imágenes (100) según la reivindicación 9 o 10, en donde la pluralidad de nanoestructuras (260) están formadas en la primera región (220) y se extienden desde una base de la primera región (220).

12. El aparato de formación de imágenes (100) según la reivindicación 11, caracterizado por al menos uno de los siguientes:

las nanoestructuras (260) tienen una altura que es aproximadamente igual a la profundidad (240) de la primera región (220);

una densidad de la pluralidad de nanoestructuras (260) y la profundidad (240) de la primera región (220) se seleccionan basándose al menos en parte en un índice de refracción promedio deseado predeterminado de la primera región (220).

13. Un método para extender una profundidad de campo de una lente (200), comprendiendo el método:

formar una primera región, que es una región de ajuste de fase en una superficie (210) de la lente (200), caracterizado porque

la región de ajuste de fase se extiende hacia el interior de la lente en una profundidad (240) de aproximadamente 1,0 micrómetros a aproximadamente 1,5 micrómetros; y

porque el método comprende además un paso de formar una pluralidad de nanoestructuras (260) en la región de ajuste de fase, teniendo la pluralidad de nanoestructuras (260) un espaciado menor que la longitud de onda más corta en el espectro visible, de modo que la primera región no difracta sustancialmente la luz visible.

14. El método según la reivindicación 14, caracterizado por al menos uno de los siguientes:

(a) dicha formación de la región de ajuste de fase y la formación de la pluralidad de nanoestructuras (260) se realizan simultáneamente e incluyen el grabado de la superficie (210) de la lente (200) en la región de ajuste de fase;

(b) dicha formación de la pluralidad de nanoestructuras (260) incluye formar una pluralidad de nanoestructuras (260) espaciadas uniforme o no uniformemente; y

(c) dicha formación de la región de ajuste de fase incluye la formación de una región circular y una región anular en la superficie (210) de la lente (200).