WO1996000923A1 - Optica compleja ultracompacta - Google Patents

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    • G02B17/0808—Catadioptric systems using two curved mirrors on-axis systems with at least one of the mirrors having a central aperture

Definitions

  • Reflection telescopes are generally variations of the one proposed by Newton in the 17th century. These telescopes consist of a concave primary mirror and a secondary mirror placed approximately in the focus of the primary mirror, separated by a certain distance in the air. The efforts to reduce the size of this device have been numerous. Notably, Cassegrain proposed a design able to reduce the length of the telescope considerably by using a convex secondary mirror. Both mirrors are separated by air. Cassegrain's system presents daunting alignment and manufacturing problems in aspherical mirrors.
  • US P3527526 proposes a system that allows double reflection.
  • the medium that travels the beam is air or void, and each path requires reflection and when a lens is affected, a refraction.
  • the fundamental advantage, then, of the optics proposed with this patent, is the size, and within the size, the thickness of the lens, and especially, that said lens is a complete optical system. In relatively very small sizes, it obtains a result of sharpness, luminosity and highly favorable visual angle.
  • the optical material may be optical glass or acrylic material, or other optical materials.
  • the dimension and base radius of the secondary mirror is the determinant, according to the base radius of the mirror primary, the number of reflections planned, as well as the size of the pupillary ring.
  • the base curvature of the primary mirror determines the direction of the second and subsequent reflections.
  • the base curvature of the secondary mirror it can be expressed in principle that a greater number of reflections will occur when both surfaces are close to their center.
  • the limit of proximity between both surfaces, and / or the theoretical size of the ring is that of the diffraction of light.
  • a lens of this structure could have been manufactured for the "Hubble" telescope of much smaller size, thereby avoiding the serious and very expensive difficulties in moving the huge lens with a strong inertia derived from its large mass.

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Abstract

Consiste en una óptica compleja ultra compacta formada por un bloque monolítico (1) de material óptico con dos superficies opuestas asféricas, siendo une superficie cóncava asférica especular anular constituyente del espejo primario (5.2) y una superficie convexa o cóncava asférica especular que constituye el espejo secundario (4.2), de forma circular; los rayos se refractan al entrar en material óptico, a continuación se reflejan en el espejo primario constituido por las superficies del material óptico en forma general convergente, y en el espejo secundario constituido por la superficie del material óptico en forma convergente o divergente, una o varias veces, y por último se refracta al salir del material óptico. De aplicación en la fabricación de lentes de aumento, oculares, microscopios, anteojos terrestres tanto catalejos como binoculares, telescopios, cámaras fotográficas y, también, en cualquier instrumento o aparato en los cuales se utilice o elabore radiación no visible.

Description

Óptica compleja ultracompacta.
El sector de la técnica de esta patente es en la ciencia óptica, la de la magnificación de imágenes en particular. Es muy importante para la consideración de cuanto luego se explica que se trata de una óptica compleja ultracompacta que por sus características obtiene un efecto de magnificación con un enfoque preciso.
Indicación del Estado de la Técnica anterior. Es archiconocida la lente. Actúa por refracción; Modifica la trayectoria de los rayos luminosos y obtiene por la curvatura de sus superficies y por el coeficiente de refracción del material de que está fabricada, un tratamiento de los rayos de luz de acuerdo con su estructura concreta.
Es muy conocido también el espejo. Un espejo cóncavo obtiene un resultado similar a una lente convexa o biconvexa.
Es también conocido el telescopio, cuya estructura básica, sea éste de reflexión (catóptrico) o de refracción (dióptrico) requiere una longitud igual a varias veces su diámetro.
Los telescopios de reflexión son en general variaciones del propuesto por Newton en el siglo XVII, Estos telescopios constan de un espejo primario cóncavo y otro secundario colocado aproximadamente en el foco del espejo primario, separados por una cierta distancia en el aire. Los esfuerzos para reducir el tamaño de este dispositivo han sido numerosos. Notablemente, Cassegrain propuso un diseño capaz de reducir la longitud del telescopio considerablemente mediante el uso de un espejo secundario convexo. Ambos espejos están separados por el aire. El sistema de Cassegrain presenta formidables problemas de alineación y fabricación en los espejos asféricos.
La US P3527526, propone un sistema que posibilita una doble reflexión. El medio que recorre el rayo es aire o vacío, y cada trayectoria requiere una reflexión y al incidir en una lente, una refracción. Existe un teleobjetivo de la marca japonesa
Nikon denominado "Reflex-Nikkor 2000 f/11" para cámaras de 35 mm. , que posee un sistema óptico que comprende un conjunto de dos espejos enfrentados que produce una única reflexión, basado en el sistema de Cassegrain, con sus problemas. Este objetivo, tiene como grave inconveniente su precio: Un objetivo de este tipo tiene un precio de mas de $22.000.
Es presumible que el coste de fabricación incluidos moldes de un prototipo que inicie una serie de ésta óptica compleja ultracompacta, no supere los $ 10.000. Ello puede facilitar la idea del avance que supone la utilización de este tipo de lentes, evitando los altos costes de los sistemas ópticos basados en el sistema Cassegrain. La presente invención tiene por objeto una óptica compleja ultracompacta que permite por ejemplo, reducir dramáticamente la longitud de instrumentos ópticos magnificadores de imagen en general. Está formada por superficies asfericas especulares formadas por ejemplo por aluminización en vacío de dichas superficies. Posee superficies asféricas definidas por superficies cónicas de revolución.
En este tipo propuesto de óptica compleja ultracompacta, manteniendo la distancia focal del espejo primario, se reduce el grosor del conjunto.
La ventaja fundamental, pues, de la óptica que se propone con esta patente, es el tamaño, y dentro del tamaño, el grosor de la lente, y especialmente, que dicha lente es un sistema óptico completo. En tamaños relativamente muy pequeños, obtiene un resultado de nitidez, luminosidad y ángulo visual altamente favorable.
Ventaja especial es también el hecho de ser monolítica,* esta propiedad permite sistemas con sólo dos superficies expuestas al medio exterior, mientras que el número de superficies efectivas es ilimitado. También se eliminan los problemas de ajuste de la posición relativa de las dos superficies.
Otra ventaja es el precio,* la óptica monolítica es muy económica, por ser fabricada por un único molde, sin desajustes posibles. El material óptico puede ser vidrio óptico o material acrílico, u otros materiales ópticos.
Con objeto de hacer mas clara la explicación que va a seguir, se acompañan dos hojas de dibujos que en dos figuras representan la esencia de la presente invención.
La figura l muestra un esquema de un ejemplo de esta óptica compleja ultracompacta.
La figura 2 muestra un esquema de una lente monolítica de múltiples reflexiones. La figura 3 muestra una realización de una lente monolítica de múltiples reflexiones.
En dichas figuras se expresa con 1 el cuerpo de la lente, que está constituido por una óptica monolítica, con 2 la superficie posterior no especular, con 3 la superficie posterior especular, con 4 la superficie anterior especular, con 5 la superficie reflectante interior del espejo secundario, con 6 la superficie anular exterior anterior de la lente, con 7 el radio de curvatura base del espejo primario, con 8 el radio de curvatura base del espejo secundario.
En la figura 2 se aprecia una superficie anterior especular 4.1 de mayor radio base, una superficie reflectante interior 5.1, delimitando un anillo 6.1, siendo el radio base del espejo secundario indicado por 8.1. El rayo se indica por 9. La trayectoria del rayo en la lente se indica por 10 en la figura 1 y por 11 con múltiple reflexión, en la figura 2.
En la figura 3 en que el espejo secundario 4.2 es convexo con una superficie especular 5.2, el radio de su curvatura 8.2 tiene centro en un punto opuesto al del espejo primario. Se representa la trayectoria interna del rayo señalado con 12.
La presente invención utiliza un sistema monolítico, por ejemplo de material acrílico 1 que elimina los problemas de alineación y fabricación y reduce el tamaño de la óptica. Combina por tanto ambos sistemas; reflexión y refracción sin cambio de medio.
La trayectoria de los rayos, según las figuras es la siguiente: El rayo 9 se refracta en el material acrílico, a continuación se refleja en el espejo primario 3, luego atraviesa el material acrílico, y se refleja en el espejo secundario 5, 5.1, y por último se refracta al salir 2 del material acrílico.
Las diferencias mas significativas de este sistema y otros sistemas telescópicos es que el espejo secundario está situado muy próximo al espejo primario y los espejos primario y secundario son fabricados por el sistema de moldeo de inyección, resultando en un bloque monolítico muy compacto.
La figura 1 indica, a efectos ilustrativos, una reflexión por superficie, mientras que la figura 2 indica por ejemplo cinco reflexiones por superficie. La óptica compleja ultracompacta puede utilizar, sin embargo, cualquier número de reflexiones, y la posición de los conjugados objeto-imagen es arbitraria. La óptica compleja ultracompacta no está limitada a las configuraciones que a modo de ejemplo se indican en las figura 1 y 2. Dado que los espejos primario y secundario están muy próximos y son solidarios, este sistema óptico permite una longitud total del telescopio muy reducida y elimina los problemas de alineación de los espejos. El principio descrito es aplicable a otros sistemas ópticos complejos de magnificación de imagen, como por ejemplo oculares, microscopios, anteojos, binoculares, telescopios, cámaras fotográficas, u otros.
La dimensión y radio base del espejo secundario es la determinante, de acuerdo con el radio base del espejo primario, del número de reflexiones previstas, así como de la dimensión del anillo pupilar.
Explicación de un ejemplo de realización.
Un prototipo disponible está formado por un bloque de material acrílico con dos superficies opuestas asfericas, del tipo cónico generalizado con un espesor central aproximado de 9,8 mm. Una superficie cóncava asférica aluminizada anularmente constituyente del espejo primario, de 45 mm. de diámetro exterior, y 4 mm. de radio interior aproximadamente y un radio de curvatura base aproximado de 36 mm. Una superficie convexa asférica aluminizada que constituye el espejo secundario, situada aproximadamente a 9.81 mm del espejo primario. Esta superficie es de forma circular con un diámetro aproximado de 4 mm. y un radio de curvatura base aproximado de 15 mm.
Ambos espejos están formados por aluminización en vacío de dichas superficies del material acrílico en la forma geométrica arriba indicada. Las superficies asfericas son superficies cónicas de revolución. La ecuación matemática que define ambas superficies es:
X2 + Y2
Z= I
1 + 1 - { 1+K) X2 + Y1 R2
Siendo Z la elevación de cualquier punto de la superficie sobre el plano X-Y.
Y las constantes R, radio base y K, constante cónica, están dadas por: Espejo primario; R = 35.68902 mm, K = -1,090548. Espejo secundario; R = 14.84872 mm, K = -0,8917654.
Este ejemplo de acuerdo con este sistema, permite una magnificación de 2χ, un campo de visión sin aberraciones, apreciable de 10 grados, y un peso y tamaño comparable al de lentes oftálmicas ordinarias.
En general, el número de reflexiones viene dado en función de:
1. Curvatura base del espejo primario. 2. Curvatura base del espejo secundario.
3. Tamaño del espejo secundario con respecto al primario.
4. Distancia entre las dos superficies especulares, espejos primario y secundario.
Así, la curvatura base del espejo primario determina la dirección de la segunda y sucesivas reflexiones. En función de la curvatura base del espejo secundario se puede en principio expresar que se producirá un mayor número de reflexiones cuando ambas superficies posean próximo su centro. El límite de proximidad entre ambas superficies, y/o del tamaño teórico del anillo es el de la difracción de la luz.
Es susceptible de aplicarse a lentes de aumento, oculares, microscopios, anteojos terrestres tanto catalejos como binoculares, telescopios, cámaras fotográficas y, también, en cualquier instrumento o aparato en los cuales se utilice o elabore radiación no visible.
La figura 1 representa un sistema telescópico
(conjugados objeto e imagen en el infinito) apropiado para visión con el ojo humano. La figura 2 representa un sistema teleobjetivo apropiado para cámaras fotográficas, cinematográficas y de vídeo, telescopios, radiotelescopios astronómicos y antenas de microondaε. Así por ejemplo, una óptica como la que hemos definido anteriormente, tiene múltiples aplicaciones: Puede utilizarse como lente para facilitar la visión a ciertos enfermos de la vista -casi ciegos- que por la cualidad de luminosidad, y su magnificación y muy poco grosor, permite un aumento de agudeza que con lentes convencionales no podrían llegar a intuir. Es más, por su tamaño y ligereza puede montarse en unas gafas del tipo de las convencionales.
Otra aplicación alternativa es la utilización en los llamados binoculares; en este sentido, puede fabricarse una lente muy luminosa de mínimo grosor, con la ventaja de reducir considerablemente el peso.
Puede aplicarse igualmente en objetivos fotográficos. El tradicional teleobjetivo es muy largo y pesado. Llega a desequilibrar y dificultar el manejo de la cámara por la posición de su centro de gravedad, y son especialmente costosos. En este caso pueden ser mucho mas cortos con un muy similar resultado, y mas económicos.
Puede también aplicarse a telescopios de tipo astronómico. Podría haberse fabricado una lente de esta estructura para el telescopio "Hubble" de mucho menor tamaño, evitando con ello las graves y costosísimas dificultades en mover la enorme lente con una fuerte inercia derivada de su gran masa.
Según el presente diseño detallado en este documento, una de las aplicaciones mas inmediatas es la fabricación de oculares para ayuda óptica a individuos con baja agudeza visual. Otra aplicación es la fabricación de telescopios y binoculares para uso general, de bajo peso y reducido tamaño. También en la fabricación de microscopios, anteojos, cámaras fotográficas, antenas de microondas, u otros similares.

Claims

REIVINDICACIONES MODIFICADAS
[recibidas por la oficina Internacional el 27 de noviembre de 1995 (27.11.95); reivindicación original 4 se suprime; reivindicaciones originales 1 y 2 modificadas; reivindicaciones originales 5-8 renumeradas reivindicaciones 4-7; otra reivindicación no cambia (2 páginas)] l.- Óptica compleja ultracompacta, caracterizada por estar constituida por un bloque monolítico de material óptico con dos superficies opuestas asféricas; 5 una superficie cóncava asférica especular anular constituyente del espejo primario,* una superficie convexa o cóncava asférica especular que constituye el espejo secundario, de forma circular,* la proporción preferente de los radios de curvatura base de las superficies está 10 comprendido entre 1,5 y 10,* la proximidad preferente de las superficies está comprendida entre 0,1 y 5 veces el diámetro del espejo primario.
2 . - Óptica compleja ultracompacta, caracterizada por que posee una trayectoria de rayos en el 15 material óptico, según la cual los rayos se refractan al entrar en material óptico, a continuación se reflejan en el espejo primario constituido por la superficies del material óptico en forma general convergente, y en el espejo secundario constituido por la superficie del material óptico 20 en forma convergente o divergente, una o varias veces, y por último se refracta al salir del material óptico.
3.- Óptica compleja ultracompacta, según la reivindicación 1 caracterizada por que las superficies asféricas especulares están formadas por aluminización en 25 vacío de dichas superficies del material óptico.
4.- Óptica compleja ultracompacta, según la reivindicación 1 caracterizada por que las superficies asféricas están definidas por superficies cónicas de revolución.
5.- Óptica compleja ultracompacta, según la reivindicación 1 caracterizada por que está formada por un material óptico definido por material acrílico.
6.- Óptica compleja ultracompacta, según la reivindicación l caracterizada por que está formada por un material óptico definido por vidrio óptico.
7.- Óptica compleja ultracompacta, según la reivindicación 1 caracterizada por que el material óptico está caracterizado por un proceso de fabricación por el sistema de moldeado de inyección.
8.- Óptica compleja ultracompacta, según la reivindicación 1 caracterizada por que en una realización particular las dos superficies están separadas una distancia de 9,81 mm. , y la ecuación matemática que define ambas superficies es:
X2 + Y2
Z= R
1 + •/ 1 - (1+K) X2 + Y2
R2 Siendo Z la elevación de cualquier punto de la superficie sobre el plano X-Y.
Y las constantes R, radio base y K, constante cónica, están dadas por: Espejo primario: R= 35.68902 mm, K = -1,090548.
Espejo secundario: R= 14.84872 mm, K = -0,8917654.
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