ES2245351T3 - Instrumento optico con elemento optico que proporciona pupila de salida expandida. - Google Patents

Abstract

Un instrumento óptico para producir una imagen óptica destinada a ser observada por un observador, de tal modo que el instrumento óptico incluye un elemento de difracción (7; 29; 35; 41; 52), situado en un plano focal intermedio o de imagen (4; 27) del mismo, y en él el elemento de difracción (7; 29; 35; 41; 52) comprende una pluralidad de reproducciones o réplicas de una configuración (11) de una pluralidad de áreas independientes (12), eficaces para producir interferencia de difracción de luz policromática que pasa a través del elemento de difracción (7; 29; 35; 41; 52) o es reflejada por el mismo, de tal manera que la pluralidad de áreas (12) incluye áreas de diferentes tamaños y formas, y la pluralidad de reproducciones está configurada para producir una pluralidad de pupilas de salida que se encuentran desplazadas unas con respecto a otras transversalmente a un eje óptico (3) del instrumento óptico, de tal manera que sean visibles como una única pupila de salida, expandida y continua,que tiene una distribución de la intensidad luminosa sustancialmente uniforme a través de una cierta extensión de la misma.

Description

Instrumento óptico con elemento óptico que proporciona pupila de salida expandida.

Esta invención se refiere a instrumentos ópticos y, en particular, a instrumentos ópticos que tienen una pupila de salida en la cual puede ser observada una imagen de un objeto por un observador.

En los instrumentos ópticos convencionales, el tamaño de la pupila de salida viene determinado por una función de la apertura numérica del instrumento y de la magnificación o aumento total del instrumento, y, por tanto, el tamaño de la pupila de salida es de una dimensión fija y relativamente pequeña. En consecuencia, es necesario para un observador alinear con precisión la pupila de entrada de su ojo con la pupila de salida del instrumento óptico, a fin de ver adecuadamente una imagen o recibir, de otro modo, la luz procedente del instrumento.

El documento EP-A-0650606 describe un aparato óptico provisto de una pupila de salida aumentada, por lo que un observador tiene la posibilidad de disfrutar de la libertad de recibir imágenes o luz procedente del aparato óptico colocando la pupila de su ojo en cualquier lugar, dentro de una pupila de salida aumentada. La pupila de salida aumentada se obtiene gracias a la disposición de un elemento de difracción situado en un plano focal intermedio o de imagen del instrumento óptico. El elemento de difracción comprende un sustrato que tiene una pluralidad de primeras acanaladuras paralelas, situadas en una superficie del sustrato de tal manera que los bordes de las primeras acanaladuras son coincidentes y forman las líneas de una primera rejilla de difracción, así como una pluralidad de segundas acanaladuras paralelas, dispuestas en la superficie del sustrato de tal manera que las segundas acanaladuras se extienden perpendiculares a las primeras acanaladuras y los bordes de las segundas acanaladuras son coincidentes y forman las líneas de una segunda rejilla de difracción. Si bien una construcción de elemento de difracción como la que se describe en el documento EP-A-0650606 da lugar a una pupila de salida aumentada, se ha encontrado que la distribución de energía luminosa a lo largo de la extensión de la pupila de salida aumentada no es uniforme. La energía luminosa presenta un nivel de energía máximo en una región central de la pupila de salida aumentada, y tiene un nivel de energía que disminuye en posiciones que se alejan de la región central en dirección a la periferia de la pupila de salida aumentada. Además, en el caso de que el elemento de difracción se haya diseñado para producir una distribución de niveles de energía más uniforme a lo largo de la extensión de una pupila de salida aumentada requerida, existirá una energía luminosa significativa más allá de la extensión de la pupila de salida aumentada requerida, y esta energía no se utiliza y se desperdicia.

La divulgación de Jahns et al. en Optical Engineering (Ingeniería Óptica), Vol. 28, Nº 12, páginas 1.267 a 1.275, describe una rejilla de Dammann que proporciona una matriz o conjunto ordenado y regular de imágenes separadas, obtenidas de un único objeto.

De acuerdo con ello, la presente invención proporciona un instrumento óptico para producir una imagen óptica destinada a ser observada por un observador, de tal modo que el instrumento óptico incluye un elemento de difracción, situado en un plano focal intermedio o de imagen del mismo, y en él el elemento de difracción comprende una pluralidad de reproducciones o réplicas de una configuración de una pluralidad de áreas independientes, eficaces a la hora de producir interferencia de difracción de luz policromática que pasa a través del elemento de difracción o es reflejada por el mismo, de tal manera que la pluralidad de áreas incluye áreas de diferentes tamaños y formas, y la pluralidad de reproducciones está configurada para producir una pluralidad de pupilas de salida que se encuentran desplazadas unas con respecto a otras transversalmente a un eje óptico del instrumento óptico, de tal manera que sean visibles como una única pupila de salida, expandida y continua, que tiene una distribución de la intensidad luminosa sustancialmente uniforme a través de una cierta extensión de la misma.

A continuación se describirá, a modo de ejemplo, una realización de la invención, haciendo referencia a los dibujos, en los cuales:

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

la Figura 2 es una vista en planta de una parte de una superficie de un elemento óptico de difracción,

la Figura 3 ilustra un perfil del elemento de difracción, tomado sobre la línea 3-3 de la Figura 2,

la Figura 4 muestra elementos ópticos de un microscopio de proyección que se sirve de un elemento de difracción por transmisión,

la Figura 5 muestra una forma alternativa del microscopio de proyección, que se sirve de un elemento de difracción por reflexión,

la Figura 6 muestra una construcción alternativa del microscopio de proyección ilustrado en la Figura 5, y

la Figura 7 muestra los elementos ópticos de un microscopio de proyección que utiliza un sistema combinado de lente de Fresnel y de matriz o conjunto ordenado de difracción.

Haciendo referencia, en primer lugar, a la Figura 1, un microscopio incluye una lente de objetivo 1 y un ocular 2, alineados sobre un eje óptico 3. La lente de objetivo produce una imagen intermedia en un plano focal o de imagen 4, de un objeto situado en un plano de objeto 5. Cuando el ojo de un observador se sitúa alineado con una pupila de salida situada en 6, es posible observar una imagen aumentada de la imagen intermedia y, por tanto, del objeto. Se ha situado un elemento de difracción por transmisión 7 en el plano focal intermedio o de imagen 4 del microscopio. En la ausencia del elemento de difracción 7 se produciría una pupila de salida de una extensión relativamente pequeña en la posición 6. Sin embargo, el elemento de difracción resulta eficaz para producir una multiplicidad de pupilas de salida en la posición 6, desplazadas unas con respecto a otras transversalmente en relación con el eje 3. En combinación, la multiplicidad de pupilas de salida desplazadas relativamente, forma una pupila de salida expandida que es de una extensión transversal mayor que la pupila de salida que se formaría en ausencia del elemento de difracción 7.

Si se desea, la apertura de la lente de objetivo puede ser definida por un tope de apertura 8. El tope de apertura 8 puede ser circular, y la pupila de salida será entonces también circular. Sin embargo, la apertura puede ser de una forma no circular, y puede ser, por ejemplo, rectangular, cuadrada o hexagonal. La multiplicidad de pupilas de salida que forman, en combinación, la pupila de salida expandida, se producen, cada una de ellas, con una forma que se corresponde con el tope de apertura 8. El desplazamiento transversal de las pupilas de salida unas con respecto a otras, y la energía luminosa en cada una de la multiplicidad de pupilas de salida, determinan la distribución de energía luminosa a través de la extensión de la pupila de salida expandida. Se desea que la pupila de salida expandida tenga, ante el ojo de un observador, la apariencia de una única pupila de salida expandida y continua. Es más, es deseable que las pupilas de salida se encuentren situadas transversalmente al eje 3 del microscopio de tal manera, que la energía luminosa en cada una de la multiplicidad de pupilas de salida sea tal, que produzca la distribución de energía luminosa que se requiera a través de la extensión de la pupila de salida expandida. Por lo común, se desea que la distribución de energía luminosa a través de una extensión requerida para la pupila de salida expandida, sea sustancialmente uniforme, y que, en un borde periférico de la extensión requerida de la pupila de salida expandida, se produzca una caída relativamente abrupta de la energía luminosa, de tal modo que exista un nivel de energía luminosa insignificante más allá de la extensión requerida de la pupila de salida extendida. Sin embargo, si se desea, la distribución de energía luminosa puede crecer hasta un máximo en un área de la pupila de salida expandida situada centralmente, por lo que un observador tiende a ser atraído hacia una posición del ojo alienada con el centro de la pupila de salida expandida.

Haciendo referencia, a continuación, a la Figura 2, el elemento de difracción 7 incluye un sustrato 9 que tiene una superficie 10, de tal manera que la superficie 10 se extiende transversalmente al eje 3 del microscopio. Se ha formado sobre la superficie 10 una configuración 11 de una pluralidad de áreas 12. La luz que pasa a través del elemento de difracción es sometida a una interferencia de difracción como consecuencia de la presencia de las áreas 12 y, como resultado, en lugar de la pupila de salida relativamente pequeña que se formaría en la ausencia del elemento de difracción, se forma una multiplicidad de pupilas de salida desplazadas transversalmente unas con respecto a otras, las cuales, en combinación, forman una pupila de salida expandida. La configuración 11 de áreas 12 se extiende sobre una parte de la superficie y es reproducida sobre el resto de la superficie 10.

Con propósitos de ilustración únicamente, las áreas se muestran en la Figura 2 con una forma rectangular y con dimensiones diferentes. No obstante, ha de comprenderse que las áreas 12 pueden ser de diferentes formas y dimensiones predeterminadas, y estar situadas en posiciones predeterminadas en la configuración 11, siempre y cuando la luz que pasa a través del elemento de difracción sea difractada de tal manera que dé lugar a la formación de una multiplicidad de pupilas de salida que, en combinación, conformen una pupila de salida expandida. Un requisito adicional del elemento de difracción es que el desplazamiento relativo de las pupilas de salida y el nivel de energía luminosa en cada una de las pupilas de salida que forman la pupila de salida expandida, sean tales, que den lugar a una distribución de energía luminosa requerida a través de una extensión requerida de la pupila de salida expandida. Las áreas se han ilustrado en la Figura 2 como rectangulares y definidas por lados rectos que se extienden en dos direcciones perpendiculares entre sí. Sin embargo, ha de comprenderse que las áreas pueden ser de forma diferente, definida por lados que no sean rectos, es decir, los lados pueden ser arqueados, y los lados pueden extenderse en más de dos dimensiones con el fin de proporcionar la extensión requerida de la pupila de salida expandida que presente la distribución de energía luminosa requerida.

Las áreas 12 pueden estar formadas de modo que sean bidimensionales y se extiendan sobre la superficie 10 ó inmediatamente adyacentes a ésta. Las áreas bidimensionales pueden haberse formado por deposición de una configuración o diseño de tinta, o bien por exposición y desarrollo subsiguiente de un material fotorresistente actínico. De manera alternativa, las áreas pueden estar formadas de modo que sean tridimensionales, de tal manera que las áreas 12 son salientes que se extienden hasta una altura o alturas predeterminadas desde el resto de la superficie 10, tal como se muestra en la Figura 3, ó de tal manera que las áreas sean depresiones que se extienden a una profundidad o profundidades predeterminadas por debajo del resto de la superficie 10.

La configuración de áreas 12 puede haberse formado por medio de diversos métodos. Por ejemplo, la configuración de áreas puede haberse formado por exposición holográfica de un patrón de interferencia de un frente de onda de láser en el seno de un material fotorresistente actínico depositado sobre la superficie 10 del sustrato 9. Otro ejemplo de un método para formar las áreas 12 es por inscripción directa de un patrón de transformada de Fourier, con el uso de un haz de electrones, en el seno de un material fotorresistente actínico. Tras la exposición, el material fotorresistente es desarrollado para producir la configuración requerida de las áreas 12.

Si bien se han descrito aquí, en lo anterior, ejemplos de métodos para formar las áreas 12, ha de comprenderse que éstos se proporcionan a modo de ejemplo y no se han de considerar como limitativos de la invención en cuanto a la formación de las áreas por estos métodos concretos.

Se apreciará que, cuando se actúa sobre luz multicromática, que comprende luz de una pluralidad de longitudes de onda diferentes, por parte de un elemento de difracción, la difracción de la luz depende de la longitud de onda de la luz. Sin embargo, se desea a menudo hacer funcionar un microscopio y otros instrumentos ópticos utilizando luz multicromática. La formación de una multiplicidad de pupilas de salida desplazadas relativamente entre sí hace decrecer los efectos de formación de franjas de color observados y mejora la imagen observada por el observador. Además, el solapamiento de la multiplicidad de pupilas de salida tiende a cancelar los efectos de formación de franjas de color y a reducir, con ello, las franjas de color observadas.

A continuación se describirán, con referencia a las Figuras 4 a 7 otras formas de instrumento óptico que utiliza un elemento de difracción para producir una pupila de salida expandida que comprende una matriz o conjunto ordenado de pupilas de salida.

La Figura 4 muestra un microscopio de proyección que incluye una lente de objetivo 20, un ocular de proyección 21 y lentes de campo 22, 23. En esta construcción de microscopio de proyección, el ocular de proyección forma una imagen de la apertura de la lente de objetivo 20, ó bien, en caso de haberse proporcionado, de un tope de apertura 24, a fin de formar una pupila de salida intermedia, situada en un plano intermedio 25. Las lentes de campo 22, 23 transmiten una imagen de la pupila de salida intermedia, situada en el plano 25, hasta una pupila de salida final, situada en la posición 26, para un observador. La lente de objetivo 20 y el ocular de proyección 21 forman una imagen, en un plano 27 intermedio a las lentes de campo 22, 23, de un objeto situado en un plano de objeto 28. Se ha colocado un elemento de difracción por transmisión 29 en el plano 27 con el fin de producir una multiplicidad de imágenes de la pupila de salida intermedia situada en el plano 25, de modo que se forme una pupila de salida final expandida en la posición 26.

La Figura 5 muestra una realización adicional de un microscopio de proyección en el cual, en lugar de formar una imagen en un elemento de difracción por transmisión, como en el microscopio que se muestra en la Figura 1 y en el microscopio de proyección mostrado en la Figura 4, la imagen se forma en un elemento de difracción por reflexión 30. Se han proporcionado una única lente de campo 31 y un elemento de reflexión 32 con el fin de formar una imagen destinada a ser observada por un ojo 33 de un observador, por medio de un espejo 34. Se ha proporcionado un elemento de difracción 35 adyacente a la superficie del elemento de reflexión 32. El elemento de difracción 35 puede ser un elemento independiente, tal como se ilustra en la Figura 5, ó puede ser integral con el elemento de reflexión 32, y puede estar formado sobre la superficie de reflexión del elemento de reflexión 32. En lugar de una lente de campo 31 y un espejo plano 32, puede proporcionarse un elemento de reflexión cóncavo 40 parcialmente esférico, tal como se muestra en la Figura 6. Puede existir un elemento de difracción 41 integral con el elemento de reflexión cóncavo, y puede estar formado sobre la superficie cóncava parcialmente esférica del elemento de reflexión, de tal manera que el elemento de difracción tenga la forma de curvatura de la superficie del elemento de reflexión.

Así pues, se comprenderá que la invención proporciona un instrumento óptico que incluye un elemento de difracción óptico situado en un plano de imagen intermedio del instrumento óptico, el cual produce, por medios de difracción por reflexión o medios de difracción por refracción, conjuntamente con una lente de campo o sistema de espejos asociado, una multiplicidad de pupilas de salida que forman, en combinación, una pupila de salida expandida en la posición de observación de un ojo de un observador.

Si se desea, en lugar de utilizar una lente de campo de refracción, como se muestra en la Figura 4, es posible proporcionar una lente de Fresnel, y la configuración de áreas que forman el elemento de difracción puede formarse sobre una superficie de la lente de Fresnel. De esta manera, como se muestra en la Figura 7, un único elemento óptico 52 puede llevar a cabo las funciones del sistema de lentes de campo y del elemento de difracción para generar una multiplicidad de pupilas de salida desplazadas relativamente entre sí para formar una pupila de salida expandida en la posición 26.

Se contempla que, por lo común, el elemento de difracción permanezca estacionario con respecto los otros elementos ópticos del instrumento óptico. Sin embargo, en algunos casos, puede resultar deseable mover el elemento de difracción con respecto a los otros elementos ópticos del instrumento óptico, por ejemplo, mediante la rotación del elemento de difracción alrededor de un eje perpendicular al plano del elemento, o bien, en el caso de un elemento cóncavo parcialmente esférico, alrededor de un eje central del elemento. Tal rotación puede ser efectuada al proporcionar un motor eléctrico y una transmisión del accionamiento desde el motor al elemento de difracción.

Se ha descrito aquí, en lo anterior, la invención por lo que respecta a microscopios, si bien ha de comprenderse que la invención no está limitada a microscopios y puede ser utilizada para producir pupilas de salida expandidas para otras formas de instrumentos o aparatos ópticos.

Como se ha mencionado aquí anteriormente, el elemento de difracción puede ser un elemento independiente o puede estar formado integralmente con otro elemento óptico, tal como una lente o un espejo del aparato óptico. Cuando el elemento de difracción está formado integralmente con otro elemento óptico, tal como una lente o un espejo, el otro elemento óptico actúa como un sustrato del elemento de difracción y la configuración de áreas se forma sobre una superficie del otro elemento óptico.

Ha de comprenderse que, cuando se hace referencia en la Memoria a una lente, espejo u otro elemento óptico, dicho elemento puede comprender un elemento óptico simple o individual, o bien un elemento óptico compuesto, consistente en una combinación de elementos.

Claims (11)

1. Un instrumento óptico para producir una imagen óptica destinada a ser observada por un observador, de tal modo que el instrumento óptico incluye un elemento de difracción (7; 29; 35; 41; 52), situado en un plano focal intermedio o de imagen (4; 27) del mismo, y en él el elemento de difracción (7; 29; 35; 41; 52) comprende una pluralidad de reproducciones o réplicas de una configuración (11) de una pluralidad de áreas independientes (12), eficaces para producir interferencia de difracción de luz policromática que pasa a través del elemento de difracción (7; 29; 35; 41; 52) o es reflejada por el mismo, de tal manera que la pluralidad de áreas (12) incluye áreas de diferentes tamaños y formas, y la pluralidad de reproducciones está configurada para producir una pluralidad de pupilas de salida que se encuentran desplazadas unas con respecto a otras transversalmente a un eje óptico (3) del instrumento óptico, de tal manera que sean visibles como una única pupila de salida, expandida y continua, que tiene una distribución de la intensidad luminosa sustancialmente uniforme a través de una cierta extensión de la misma.

2. Un instrumento óptico de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual las áreas de la pluralidad de áreas (12) son bidimensionales.

3. Un instrumento óptico de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual las áreas de la pluralidad de áreas (12) son tridimensionales.

4. Un instrumento óptico de acuerdo con la reivindicación 3, en el cual las áreas de la pluralidad de áreas (12) comprenden salientes.

5. Un instrumento óptico de acuerdo con la reivindicación 4, en el cual los salientes se extienden hasta una única altura.

6. Un instrumento óptico de acuerdo con la reivindicación 4, en el cual los salientes se extienden hasta más de una altura.

7. Un instrumento óptico de acuerdo con la reivindicación 3, en el cual las áreas de la pluralidad de áreas (12) comprenden depresiones.

8. Un instrumento óptico de acuerdo con la reivindicación 7, en el cual las depresiones se extienden en una única profundidad.

9. Un instrumento óptico de acuerdo con la reivindicación 7, en el cual las depresiones se extienden en más de una profundidad.

10. Un instrumento óptico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el cual la pluralidad de reproducciones es tal, que la pluralidad de pupilas de salida se encuentran solapadas.

11. Un instrumento óptico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, que incluye un elemento óptico (22, 23; 31, 32; 40; 52) y en el cual el elemento de difracción (29; 35; 41; 52) está formado sobre una superficie del elemento óptico (22, 23; 31, 32; 40; 52) o es integral con la misma.