ES2921530T3 - Instrumentos ópticos - Google Patents

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Abstract

Un instrumento óptico para producir una imagen óptica para ser vista por un observador, el instrumento óptico que comprende: un sistema óptico para producir una imagen óptica de un objeto que se puede ver por un observador en una pupila de salida; y un elemento difractivo ubicado en un plano de imagen del sistema óptico para producir una variedad de pupilas de salida, que son perceptibles como una sola pupila de salida ampliada por el observador; en el que el elemento difractivo comprende una superficie que tiene una matriz de unidades difractivas, cada una de las cuales genera una de las pupilas de salida de la matriz de pupilas de salida, las unidades difractivas comprenden replicaciones de un patrón de una pluralidad de áreas separadas para ser efectivas para Producir interferencia difractiva de la luz y generar una pluralidad de pupilas de salida que se desplazan entre sí en forma de una matriz de pupilas de salida, como ser visibles como un solo pupila de salida de ampliación continua, y las áreas comprenden características irregulares de diferentes tamaños, tanto en sección horizontal como vertical, que tienen superficies curvas en caras laterales de los mismos; en el que las unidades difractivas se eliminan progresivamente radialmente hacia afuera del eje óptico del elemento difractivo y se configuran progresivamente para proporcionar un desplazamiento angular cada vez mayor, de modo que, independiente de la ubicación en la apertura del elemento difractivo y sin ningún arreglo de lente de relé, luz de La imagen recibida se transmite a una región común en un plano de observación a través de la abertura del elemento difractivo. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Instrumentos ópticos
La presente invención se refiere a instrumentos ópticos, especialmente microscopios, en particular, instrumentos ópticos que tienen una pupila de salida en la que un observador puede ver una imagen de un objeto, y elementos ópticos de difracción para usar con los mismos.
En los instrumentos ópticos convencionales, el tamaño de la pupila de salida está determinado por una función de la rendija numérica y el aumento general del instrumento óptico y, por lo tanto, el tamaño de la pupila de salida es de dimensión fija y relativamente pequeña. En consecuencia, es necesario que un observador alinee con precisión la pupila de entrada de su ojo con la pupila de salida del instrumento óptico para ver correctamente una imagen.
El presente solicitante ha desarrollado previamente una serie de diferentes instrumentos ópticos que, mediante la provisión de un elemento de difracción en un plano de imagen intermedio, proporcionan una pupila de salida que se agranda efectivamente, permitiendo que un observador vea una imagen colocando su ojo en cualquier lugar dentro de la pupila de salida agrandada. Estos instrumentos ópticos se divulgan en los documentos US-A-6028704, US-A-6608720, US-A-7123415 y GB-A-2360604. Otro instrumento óptico que incorpora un expansor de pupila de salida se divulga en el documento Us -A-2005/0237615.
El presente solicitante ha desarrollado ahora instrumentos ópticos mejorados, que todavía proporcionan una pupila de salida que se agranda efectivamente, pero que pueden proporcionar una mayor claridad óptica y también evitar la necesidad de una disposición de lente de campo, que, dado el tamaño del campo de visión, suele representar el componente más caro dentro de los instrumentos ópticos, siendo un componente de vidrio pulido y rectificado con precisión.
En un aspecto, la presente invención proporciona un instrumento óptico para producir una imagen óptica para que la vea un observador de acuerdo con la reivindicación 1.
En una realización, las superficies curvas en las caras laterales de las áreas comprenden superficies troncocónicas o troncocilíndricas y/o las caras laterales de las áreas dentro de cada unidad de difracción incluyen secciones curvas tanto hacia el interior como hacia el exterior.
En una realización, las caras laterales de las áreas dentro de cada unidad de difracción están ladeadas o inclinadas, opcionalmente como una superficie rectilínea, estrechándose hacia el interior lejos de la superficie del elemento de difracción.
En una realización, las áreas son proyecciones que se extienden desde la superficie del elemento de difracción y/o depresiones que se extienden hacia el interior de la superficie del elemento de difracción.
En una realización, las réplicas de los patrones de áreas tienen un paso de aproximadamente 40 pm a aproximadamente 100 pm o de aproximadamente 60 pm a aproximadamente 100 pm.
En una realización, cada una de las áreas tiene una o más superficies en una superficie superior de las mismas que son sustancialmente paralelas a la superficie del elemento de difracción, inclinadas a la superficie del elemento de difracción y/o arqueadas.
En una realización, la superficie superior de cada una de las áreas tiene un borde periférico curvo.
En una realización, cada una de las áreas tiene una dimensión promedia de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 10 pm.
En una realización, el instrumento óptico es un microscopio.
A continuación, se describirán realizaciones preferidas de la presente invención a modo de ejemplo con referencia solo a los dibujos adjuntos, en los que:
la figura 1 ilustra un instrumento óptico de acuerdo con un primer diseño;
la figura 2(a) ilustra una vista en alzado de un elemento de difracción de acuerdo con un diseño del instrumento óptico de la figura 1;
la figura 2(b) ilustra una vista en perspectiva de una unidad de difracción (representada por las secciones A en la figura 2(a)) del elemento de difracción de la figura 2(a);
la figura 2(c) ilustra una vista en planta de la unidad de difracción de la figura 2(b);
la figura 2(d) ilustra una vista en sección vertical (a lo largo de la sección I-I de la figura 2(c)) del elemento de difracción de la figura 2(a);
la figura 3 ilustra un instrumento óptico de acuerdo con una primera realización de la presente invención; y
la figura 4 ilustra la expansión y dirección de haz proporcionado por las unidades de difracción del elemento de difracción del instrumento óptico de la figura 3.
La figura 1 ilustra un microscopio de acuerdo con un primer diseño, aquí un microscopio de proyección.
El microscopio comprende un objetivo 3 para producir una imagen primaria en un plano de imagen, aquí un plano de imagen primaria PlP, de un objeto en un plano de objeto OP, en este diseño definido por un tope de rendija 5.
En este diseño, el microscopio comprende además una lente de proyección 7 que refleja la imagen principal del objetivo 3 en un plano de imagen, aquí un plano de imagen secundaria SIP, y produce una imagen de la rendija del objetivo 3 en el vértice del rayo 9 de la lente de proyección 7.
El microscopio comprende además una disposición de lente de campo 11, comprendiendo en este diseño un par de lentes de campo 15, 17, para transmitir la pupila de salida a un plano de visualización VP, tal como para ser visible para el ojo de un observador.
El microscopio comprende además un elemento de difracción 25, en este diseño un elemento de transmisión, que se ubica en el plano de imagen secundaria SIP, aquí de manera intermedia entre las lentes de campo 15, 17 de la disposición de lente de campo 11, y es efectivo para producir una matriz de pupilas de salida, cada una correspondiente a la pupila de salida que se produciría en ausencia del elemento de difracción 25.
A través de un diseño adecuado, el elemento de difracción 25 puede configurarse para proporcionar que las pupilas de salida en la matriz de pupilas de salida estén separadas o en contacto, y la configuración se elige de tal manera que la matriz de pupilas de salida aparezca a los ojos del observador en efecto como una sola pupila de salida agrandada continua.
En un diseño, como se ilustra en las figuras 2(a) a (d), el elemento de difracción 25 comprende una superficie principal 27 que tiene una matriz de unidades de difracción 29, cada una de las cuales genera una de las pupilas de salida de la matriz de pupilas de salida. El perfil y la forma de las unidades de difracción individuales 29 determina la energía luminosa comparativa dentro de cada una de las imágenes individuales de la pupila.
En este diseño, las unidades de difracción 29 comprenden réplicas de un patrón de una pluralidad de áreas separadas 31 que son efectivas para producir interferencia de difracción de la luz que pasa a través de ellas y generar una pluralidad de pupilas de salida que se desplazan entre sí en forma de matriz de pupilas de salida, tal como para ser visible como una sola pupila de salida agrandada continua.
En este diseño las áreas 31 comprenden características irregulares de diferentes tamaños, tanto en sección horizontal como vertical, que tienen superficies arqueadas o curvas en las caras laterales 33 de las mismas, aquí superficies troncocónicas o troncocilíndricas. Estas características pueden variar en tamaño, pero normalmente están en el intervalo de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 1o pm.
En este diseño, las caras laterales 33 de las áreas 31 dentro de cada unidad de difracción 29 incluyen secciones curvas tanto hacia el interior como hacia el exterior.
En este diseño las caras laterales 33 están ladeadas o inclinadas, estrechándose hacia el interior lejos de la superficie 27 del elemento de difracción 25.
En este diseño, las áreas 31 son proyecciones que se extienden desde la superficie 27 del elemento de difracción 25. En un diseño alternativo, las áreas 31 podrían comprender depresiones que se extienden dentro de la superficie 27 del elemento de difracción.
En este diseño, las réplicas de los patrones de las áreas 31 tienen un paso de aproximadamente 80 pm. En otros diseños, las réplicas de los patrones de las áreas 31 pueden tener un paso de aproximadamente 40 pm a aproximadamente 100 pm.
En este diseño, cada una de las áreas 31 tiene una o más superficies en una superficie superior 35 de las mismas. En este diseño, las una o más superficies son sustancialmente paralelas a la superficie 27 del elemento de difracción 25, pero alternativamente podrían estar inclinadas hacia la superficie 27 del elemento de difracción 25 o arqueadas.
En este diseño la superficie superior 35 de cada una de las áreas 31 tiene un borde periférico curvo 37, aquí alrededor de su totalidad.
En este diseño, las áreas 31 están formadas por el diseño y desarrollo de un fotoprotector actínico. En un diseño, el patrón se forma escribiendo directamente un patrón, usando una combinación de haz de electrones controlado y ablación láser, en fotoprotector actínico.
Con esta configuración, el microscopio proporciona una sola pupila de salida agrandada que tiene un tamaño efectivo correspondiente a la matriz de pupilas de salida, y la matriz de pupilas de salida tiene las características ópticas deseadas, particularmente para proporcionar una distribución de energía uniforme de una imagen policromática. La figura 3 ilustra un microscopio de acuerdo con una primera realización de la presente invención.
El microscopio de esta realización es similar al microscopio del primer diseño descrito y, por tanto, para evitar la duplicación de la descripción, solo las diferencias se describirán en detalle con partes similares designando signos de referencia similares.
El microscopio de esta realización difiere del primer diseño descrito en que se omite la disposición de lente de campo 11 y, en cambio, el elemento de difracción 25 está configurado para transmitir la luz de la imagen recibida a una región común en el plano de visualización VP a través de la rendija del elemento de difracción 25, en esta realización centrado en el eje óptico del elemento de difracción 25.
En esta realización, las unidades de difracción 29 que están dispuestas progresivamente radialmente hacia el exterior desde el eje óptico del elemento de difracción 25 están configuradas progresivamente para proporcionar un desplazamiento angular creciente, de manera que, independientemente de la ubicación en el elemento de difracción 25, la luz de la imagen recibida se transmite a una región común. La figura 4 ilustra la expansión y dirección de haz proporcionado por las unidades de difracción 29.
En esta realización, el desplazamiento angular progresivamente creciente lo proporciona el dimensionamiento, conformado y posicionamiento de las áreas 31 dentro de cada unidad de difracción 29. Este dimensionamiento, conformado y posicionamiento están determinados por principios de difracción convencionales y modelados, tal como por Zemax (Radiant Zemax, Redmond, EE.UU.) o LightTrans VirtualLab (Jenoptik Optical Systems, W. Henrietta, EE. UU.).
Por último, se entenderá que la presente invención se ha descrito en sus realizaciones preferidas y puede modificarse de muchas maneras diferentes sin apartarse del alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.
Por ejemplo, en las realizaciones descritas el elemento de difracción 25 es un elemento de transmisión, pero se entenderá que el elemento de difracción 25 podría proporcionarse como un elemento reflectante.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un instrumento óptico para producir una imagen óptica para que la vea un observador, comprendiendo el instrumento óptico:
un sistema óptico para producir una imagen óptica de un objeto que puede ser vista por un observador en una pupila de salida en un plano de visualización (VP); y
un elemento de difracción (25) situado en un plano de imagen (SIP) del sistema óptico para producir una matriz de pupilas de salida, que pueden ser percibidas como una sola pupila de salida agrandada por el observador; en donde el elemento de difracción (25) comprende una superficie (27) en un plano sustancialmente plano que tiene una matriz de unidades de difracción (29) dispuestas a una distancia radial creciente hacia el exterior desde el eje óptico del elemento de difracción (25), cada una de las cuales genera una de las pupilas de salida de la matriz de pupilas de salida, comprendiendo cada una de las unidades de difracción (29) réplicas de un patrón de una pluralidad de áreas separadas (31) que son efectivas para producir interferencia de difracción de la luz y generar una pluralidad de pupilas de salida que están desplazadas entre sí en forma de una matriz de pupilas de salida, tal como para ser visible como una sola pupila de salida agrandada continua, y las áreas (31) comprenden características irregulares de diferentes tamaños, tanto en sección horizontal como vertical, que tienen superficies curvas en las caras laterales (33) de las mismas;
caracterizado por que las unidades de difracción (29) proporcionan progresivamente un desplazamiento angular creciente (px , py, pz ) de la trayectoria óptica en relación con el eje óptico del elemento de difracción (25) proporcionando las áreas (31) dentro de cada unidad de difracción (29) progresivamente de manera radial hacia el exterior para que sean de diferente tamaño, forma y posición, de tal manera que, independientemente de la ubicación en la rendija del elemento de difracción (25) y sin ninguna disposición de lente entre el elemento de difracción (25) y el plano de visualización (VP), la luz de la imagen recibida se transmite a una región común en el plano de visualización (VP) a través de la rendija del elemento de difracción (25).
2. El instrumento de la reivindicación 1, en donde las superficies curvas en las caras laterales (33) de las áreas (31) comprenden superficies troncocónicas o troncocilíndricas.
3. El instrumento de las reivindicaciones 1 o 2, en donde las caras laterales (33) de las áreas (31) dentro de cada unidad de difracción (29) incluyen secciones curvas tanto hacia el interior como hacia el exterior.
4. El instrumento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde las caras laterales (33) de las áreas (31) dentro de cada unidad de difracción (29) están ladeadas o inclinadas.
5. El instrumento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde las caras laterales (33) de las áreas (31) de cada unidad de difracción (29) están ladeadas o inclinadas como una superficie rectilínea, estrechándose hacia el interior lejos de la superficie (27) del elemento de difracción (25).
6. El instrumento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde las áreas (31) son proyecciones que se extienden desde la superficie (27) del elemento de difracción (25).
7. El instrumento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde las áreas (31) son depresiones que se extienden dentro de la superficie (27) del elemento de difracción (25).
8. El instrumento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde las réplicas de los patrones de las áreas (31) tienen un paso de aproximadamente 40 pm a aproximadamente 100 pm.
9. El instrumento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde las réplicas de los patrones de las áreas (31) tienen un paso de aproximadamente 60 pm a aproximadamente 100 pm.
10. El instrumento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde cada una de las áreas (31) tiene una o más superficies en una superficie superior (35) de las mismas que son sustancialmente paralelas a la superficie (27) del elemento de difracción (25).
11. El instrumento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde cada una de las áreas (31) tiene una o más superficies en una superficie superior (35) de las mismas que están inclinadas hacia la superficie (27) del elemento de difracción (25).
12. El instrumento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde cada una de las áreas (31) tiene una o más superficies en una superficie superior (35) de las mismas que son arqueadas.
13. El instrumento de cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, en donde la superficie superior (35) de cada una de las áreas (31) tiene un borde periférico curvo (37).
14. El instrumento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en donde cada una de las áreas (31) tiene una dimensión promedio de aproximadamente 1 |jm a aproximadamente 10 |jm.
15. El instrumento de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en donde el instrumento óptico es un microscopio.
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