ES2291932T3 - Dispositivo retrorreflectante que comprende lentes con indice en gradiente. - Google Patents

Dispositivo retrorreflectante que comprende lentes con indice en gradiente. Download PDF

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Abstract

Dispositivo retrorreflectante que comprende una lente de índice de refracción gradual sustancialmente esférica, una parte reflectante para retrorreflejar un haz de radiación que pasa a través de la lente de índice de refracción gradual y, rodeando al menos parcialmente la lente, un material transparente no gaseoso que tiene un índice de refracción sustancialmente uniforme, en el que dicha lente de índice de refracción gradual tiene una distribución del índice de refracción esféricamente simétrica; incluyendo dicha distribución del índice de refracción partes que tienen al menos dos extensiones radiales separadas dentro de las cuales el material de la lente tiene un índice de refracción que varía de forma continua, teniendo la variación del índice de refracción una discontinuidad en gradiente entre dichas dos extensiones radiales; y en el que dicha lente de índice de refracción gradual tiene un índice de refracción en su centro que es superior a un índice de refracción en su superficie externa.

Description

Dispositivo retrorreflectante que comprende lentes con índice en gradiente.
Esta invención se refiere a dispositivos retrorreflectantes; estando la expresión "dispositivos retrorreflectantes" tal como se usa en el presente documento destinada a abarcar generalmente componentes ópticos usados para devolver la radiación automáticamente desde una ubicación alejada hacia una fuente óptica.
Los dispositivos retrorreflectantes se diseñan para reflejar la radiación de vuelta hacia su fuente, y por tanto se usan frecuentemente tales dispositivos para devolver la radiación hacia fuentes ópticas radiantes cuando es inconveniente o indeseable generar radiación de forma activa en ubicaciones, alejadas de las fuentes ópticas, que necesitan enviar una radiación de respuesta a ubicaciones base fijas o móviles en las que se sitúan las fuentes ópticas radiantes. Los ejemplos comunes incluyen el uso de materiales reflectantes especiales para señalización o prendas de seguridad, marcadores de ojo de gato (reflectores embebidos) en superficies de carretera y puntos de medición en agrimensura o maquinaria robótica. Los dispositivos retrorreflectantes también pueden usarse en combinación con mecanismos de modulación óptica con el fin de establecer comunicación óptica bidireccional entre la estación base y la ubicación alejada sin necesitar una fuente óptica en el extremo alejado del enlace.
Los dispositivos retrorreflectantes de uso común actualmente pueden clasificarse en dos tipos principales.
El primero de estos logra la retrorreflexión sin ningún enfoque de la radiación entrante procedente de la fuente. Este tipo está disponible comúnmente como un componente con un conjunto de tres superficies reflectantes perpendiculares entre sí, y se conoce como un retrorreflector "triédrico". Existen diferentes realizaciones de este tipo de reflector, pero todas necesitan una calidad muy alta en las superficies reflectantes, que también necesitan montarse de forma muy precisa con el fin de proporcionar una coincidencia angular precisa entre los haces incidentes y reflejados. En consecuencia, es caro fabricar tales componentes, pero tienen la ventaja de proporcionar un rendimiento limitado por la difracción que proporciona una calidad excelente al haz reflejado.
Sin embargo, de forma desfavorable, tales dispositivos muestran un campo de visión limitado que varía con los detalles de construcción, pero que no pueden permitir la cobertura de ángulos de incidencia arbitrarios a través de todo un hemisferio sin agrupar varios reflectores juntos, en el que cada reflector está apuntando en una dirección diferente. Esto aumenta el gasto y la complejidad de construcción de tales dispositivos con un campo de visión alto.
El segundo tipo de dispositivo retrorreflectante de uso común actualmente emplea el enfoque de la radiación incidente sobre una superficie reflectante primaria. Este tipo se conoce como un retrorreflector de "ojo de gato", y emplea comúnmente esferas de vidrio, o semiesferas cementadas, con el fin de proporcionar la retrorreflexión para rayos incidentes paraxiales. Pueden fabricarse tales dispositivos muy pequeños (por ejemplo, con diámetros inferiores al milímetro) y ofrecen a menudo un campo de visión muy amplio, incluyendo un hemisferio completo o más en un único componente. Además, pueden fabricarse esferas individuales en cantidad a bajo coste. La principal desventaja de este diseño es que la radiación reflejada está sometida a aberración esférica grave para rayos no paraxiales, y esto puede reducir considerablemente la intensidad de campo lejano del haz reflejado medido en el eje. Esto también conduce a una divergencia del haz significativa, haciendo visible la reflexión lejos del eje, lo que puede ser indeseable en algunas aplicaciones, por ejemplo en la comunicación en el espacio libre en la que se desea privacidad.
Se conoce una clase de lentes, denominadas lentes de "índice de refracción gradual" ("graded refractive index") (o GRIN), en las que el material de la lente muestra variaciones graduales en el índice de refracción a través de su volumen. Un ejemplo es la denominada lente de "varilla GRIN" ("GRIN- rod"), que es una lente de índice gradual con simetría cilíndrica y distribución de índice parabólico radial. Véase S. Nemoto y J. Kida, "Retroreflector using gradient-index rods" Appl. Opt. 30 (7), 1 de marzo de 1991, págs. 815-822.
En una publicación titulada "Gradient Index Optics" publicada por Academic Press en 1978, E.W. Marchand describe en las páginas 2 y 3 una lente, descubierta previamente por Luneburg, que tiene una función de índice con simetría esférica alrededor de un punto. Marchand describe la lente de Luneburg como difícil de fabricar (al menos para la radiación en la región visible del espectro), y continúa diciendo que la lente, incluso si puede fabricarse, tiene posibilidades limitadas para una aplicación útil, aunque sugiere una posible modificación de la lente, que incorpora un espejo para producir una acción similar a la del triedro.
Las lentes esféricas con distribuciones del índice de refracción que tienen simetría esférica se conocen como lentes "esféricas GRIN" ("GRIN-sphere"), que tienen una distribución del índice de refracción esféricamente simétrica en la que el índice de refracción varía gradualmente a través de una sección transversal radial. Se sabe que tales lentes muestran una aberración esférica mejorada en comparación con lentes esféricas uniformes. Véase Y. Koike, A. Kanemitsu, Y. Shioda, E. Nihei e Y. Ohtsuka, "Spherical gradient-index polymer lens with low spherical aberration" Appl. Opt. 33 (17), 1 de junio de 1994, págs. 3394-3400.
Se han propuesto las lentes de varilla GRIN para su uso en dispositivos retrorreflectantes, pero estas lentes experimentan restricciones en el campo de visión similares a las mostradas por los retrorreflectores triédricos. Otros tipos de retrorreflectores de ojo de gato pueden basarse en diseños de lentes catadióptricas, pero estos también comparten las restricciones mencionadas anteriormente en el campo de visión.
La presente invención tiene como objetivo tratar al menos una de las desventajas identificadas anteriormente asociadas con los dispositivos retrorreflectantes de uso común actualmente. Las realizaciones preferidas de la invención tienen como objetivo superar, o al menos reducir, la aberración esférica experimentada en retrorreflectores de ojo de gato basados en lentes esféricas convencionales mientras se conserva, al menos en una medida sustancial, sus beneficios de campo de visión amplio en comparación con los retrorreflectores triédricos.
Según un aspecto de la invención, se proporciona un dispositivo retrorreflectante que comprende una lente de índice de refracción gradual sustancialmente esférica, una parte reflectante para retrorreflejar un haz de radiación que pasa a través de la lente de índice de refracción gradual y, rodeando al menos parcialmente la lente, un material transparente no gaseoso que tiene un índice de refracción sustancialmente uniforme, en el que dicha lente de índice de refracción gradual tiene una distribución del índice de refracción esféricamente simétrica; incluyendo dicha distribución del índice de refracción partes que tienen al menos dos extensiones radiales separadas dentro de las cuales el material de la lente tiene un índice de refracción que varía de forma continua, teniendo la variación del índice de refracción una discontinuidad en gradiente entre dichas dos extensiones radiales; y en el que dicha lente de índice de refracción gradual tiene un índice de refracción en su centro que es superior a un índice de refracción en su superficie externa.
La provisión de un material transparente de índice de refracción substancialmente uniforme fuera de la lente prevé una facilidad de fabricación aumentada del dispositivo cuando el índice de refracción del material refractivo es sustancialmente superior a la unidad. La lente esférica GRIN puede tener una variación del índice de refracción que no es necesario que sea tan grande como se requeriría de otra manera. Además, mediante el uso de la presente invención, el índice de refracción en la superficie externa de la lente no es necesario que coincida con el de una interfaz aérea, que es prácticamente imposible, en particular en las regiones del visible e infrarrojo del espectro, en las que la presente invención tiene aplicación particular.
Preferiblemente, la distribución del índice de refracción de la lente esférica GRIN tiene un efecto reductor de la aberración esférica. La invención puede emplearse cuando la acción de enfoque de la esfera de baja aberración en aire no es lo suficientemente fuerte para proporcionar convergencia del haz incidente en un punto sobre la superficie trasera de la propia esfera, o si no puede alcanzarse una aberración lo suficientemente baja para una aplicación particular usando una esfera GRIN en aire.
En realizaciones preferidas, el material transparente rodea una parte sustancial de la lente. En una realización particularmente preferida, el material transparente rodea al menos aproximadamente la mitad de la lente, y más preferiblemente rodea sustancialmente toda la lente.
Obsérvese que, en el presente documento, el término "esférico" pretende referirse a superficies que incluyen tanto esferas completas como superficies esféricas en parte.
El contorno del material transparente alejado de la lente está definido, en algunas realizaciones preferidas de la invención, por una superficie sustancialmente esférica y en otras realizaciones preferidas el contorno está definido por una superficie sustancialmente plana, aunque puede usarse cualquier configuración del contorno si se selecciona para realizar un fin óptico particular.
Con el fin de que la invención pueda entenderse claramente y llevarse a efecto fácilmente, se describirán algunas realizaciones de la misma, sólo a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, de los cuales:
la figura 1 muestra un dispositivo retrorreflectante según una primera realización de la invención;
la figura 2 muestra un dispositivo retrorreflectante según una segunda realización de la invención;
la figura 3 muestra un dispositivo retrorreflectante según una tercera realización de la invención;
la figura 4 muestra un dispositivo retrorreflectante según una cuarta realización de la invención; y
la figura 5 muestra dos distribuciones del índice de refracción a modo de ejemplo según realizaciones de la invención.
Haciendo referencia ahora a las figuras 1 a 4 de los dibujos, se describen realizaciones preferidas de dispositivos retrorreflectantes basados en lentes esféricas GRIN, a modo de ejemplo, pero los expertos en la técnica apreciarán que pueden concebirse fácilmente otros diseños para adaptarse a objetivos particulares.
La figura 1 muestra una primera realización de un dispositivo retrorreflectante basado en una lente esférica GRIN dispuesta según la invención. El hemisferio superior de la superficie mecánica de la lente 2 esférica GRIN, mostrado como un círculo 2 sólido, es la superficie a través de la que pasa un haz B de radiación incidente (que se supone que es un haz paralelo) hacia la lente esférica GRIN.
Con el fin de mejorar las características ópticas del dispositivo, la lente 2 esférica GRIN se reviste exteriormente, o si no, se recubre con un material 4 transparente que tiene un índice de refracción uniforme de un valor deseado particular. El material transparente tiene un espesor uniforme, y tiene una superficie esférica externa que está dispuesta concéntrica con la superficie externa de la lente 2 esférica GRIN. La superficie superior del material transparente forma la cara de entrada del dispositivo. Aunque no se muestra en la figura 1, la cara de entrada del material 4 transparente (y de hecho las superficies equivalentes mostradas en otras figuras del presente documento) puede estar dotada de un recubrimiento antirreflectante, aplicado de cualquier manera conveniente.
Se aplica directamente un recubrimiento 6 reflectante a la superficie externa del material 4 transparente, sobre el lado opuesto de la cara de entrada, para proporcionar retrorreflexión de los rayos 4 incidentes tal como se muestra. Para obtener un campo de visión óptimo, el recubrimiento 6 reflectante cubre aproximadamente un hemisferio sobre la superficie externa.
La lente 2 puede estar compuesta por materiales poliméricos adecuados, tales como metacrilato de bencilo o materiales similares, o vidrio. La distribución del índice de refracción deseada puede obtenerse mediante cualquier técnica conocida, tal como difusión de materiales adecuados dentro de la esfera, o fotoinscripción en un material fotosensible usando, por ejemplo, fuentes ultravioletas.
El material 4 transparente puede estar compuesto por un plástico adecuado, por ejemplo poli (metacrilato de metilo), o vidrio.
El recubrimiento 6 reflectante puede ser metálico, por ejemplo de aluminio, para proporcionar una reflexión espectral amplia, o puede en sí mismo tener un diseñó de múltiples capas para proporcionar una reflexión selectiva de longitud de onda.
Se muestra una segunda realización de la invención en la figura 2. En la misma, se proporciona a los componentes similares a los mostrados en la figura 1 los mismos números de referencia, aumentados en 100. La lente 102 esférica GRIN se sumerge en, y puede estar soportada al menos parcialmente por un entorno que comprende un material 104 sólido transparente de índice de refracción uniforme, que tiene una relación elegida con el índice de refracción en la superficie de la esfera GRIN. El material transparente puede estar soportado por una estructura 108 sólida, que puede tener, por ejemplo, una superficie inferior formada, por ejemplo, como una superficie plana, de modo que soporta de forma estable el dispositivo en una orientación preferida sobre una superficie horizontal.
Alternativamente, dependiendo por ejemplo del uso al que está destinado el dispositivo y/o el tratamiento al que puede someterse, la lente puede sumergirse en un material líquido transparente y estar soportada por filamentos delgados (no mostrados) estirados desde la estructura 108 de soporte.
La cara 110 de entrada del material 104 transparente, que forma un contorno del material transparente alejado de la lente 102, y a través de la que pasa un haz de radiación para retrorreflejarse, está definida en esta realización por una superficie sustancialmente plana. Tal forma de cara de entrada es relativamente fácil de fabricar, y no requiere una alineación precisa con respecto a la lente 202 esférica GRIN. Sin embargo, tal forma de cara de entrada experimenta efectos de polarización y retrorreflectividad dependientes angularmente.
La figura 3 muestra una tercera realización de la invención, que reduce los efectos de polarización y retrorreflectividad dependientes angularmente. En la misma, los componentes similares a los descritos anteriormente tienen los mismos números de referencia, aumentados en 100. Se proporciona al material 204 transparente una forma externa semiesférica. En esta realización, el material puede protegerse mediante una cubierta en forma de bóveda óptica transparente (no mostrada) compuesta por un material relativamente duro, tal como vidrio. Esta disposición reduce la variación del rendimiento de reflexión con el ángulo de incidencia, en comparación con la realización mostrada en la figura 2. Los rayos que se encuentran con la esfera GRIN pueden hacerse paraxiales de forma eficaz con respecto a la lente formada por la superficie 210 externa, siempre que el radio de curvatura de la superficie externa se haga lo suficientemente grande en comparación con el radio de la superficie externa de la lente 202 esférica GRIN. Debido al radio de curvatura relativamente grande preferido de la superficie externa del material 204 transparente en la cara 210 de entrada, la superficie reflectante del material 206 reflectante tiene un radio de curvatura más pequeño que el de la cara 210 de entrada.
La figura 4 muestra una cuarta realización de la invención. De nuevo, los componentes similares a los descritos anteriormente tienen los mismos números de referencia, aumentados en 100. El revestimiento 304 exterior de índice de refracción uniforme tiene un espesor uniforme, y una superficie externa esférica que es concéntrica con la superficie externa de la lente 302 esférica GRIN, tal como en la primera realización. Sin embargo, en esta realización, la superficie 306 reflectante está separada del material de revestimiento exterior y existe un espacio 305 entre la superficie externa del revestimiento 304 exterior y el reflector 306. El tamaño del espacio 305 variará en proporción al tamaño de la lente. Para una lente de 20 mm de diámetro externo, el tamaño del hueco está preferiblemente entre 7 mm y 10 mm. Es importante que el tamaño del hueco esté controlado al intervalo de unas cuantas micras, puesto que la calidad de la retrorreflexión depende de que la luz esté enfocada en el punto de reflexión. Puesto que el intervalo de índices de refracción que es posible aprovechar en lentes esféricas GRIN es limitado, esta distancia focal ampliada permite que aumente la apertura útil del dispositivo. Alternativamente, puede mantenerse la apertura, de modo que se requiere un intervalo más pequeño de índices de refracción. Esto a su vez da como resultado la existencia de una selección más amplia de materiales disponibles para su uso en la lente esférica GRIN. El espacio 305 puede llenarse con cualquier fluido apropiado. Por ejemplo, hasta la eficacia máxima, la razón de apertura de lente utilizable con respecto a la distancia focal del dispositivo (que determina el tamaño del dispositivo) debe mantenerse grande, y por tanto el índice de refracción del espacio 305 necesita mantenerse tan cerca de la unidad como sea posible. Por tanto, debe llenarse con aire seco, un gas o vacío. Los dispositivos típicos tendrán un número f de aproximadamente 1,5.
La figura 5 muestra dos distribuciones del índice de refracción a modo de ejemplo de las lentes esféricas GRIN, que pueden usarse en cualquiera de las realizaciones primera a tercera de la invención.
Se representan gráficamente las distribuciones a lo largo de todo el radio (normalizado) de la lente esférica GRIN, que oscila desde 0 hasta 1. El índice de refracción de la lente esférica GRIN en cada punto radial se normaliza con respecto al índice de refracción del material transparente. En la distribución inferior de las dos distribuciones ilustradas, el índice de refracción oscila desde un mínimo de aproximadamente 1,02 cerca de la superficie externa de la lente esférica GRIN hasta aproximadamente 1,10 en el centro de la lente esférica GRIN. En la distribución superior de las dos distribuciones ilustradas, el índice de refracción oscila desde un mínimo de aproximadamente 1,08 cerca de la superficie externa de la lente esférica GRIN hasta aproximadamente 1,14 en el centro de la lente esférica GRIN.
Cada una de las dos distribuciones del índice de refracción a modo de ejemplo incluye partes que tienen al menos dos extensiones radiales separadas dentro de las cuales el material de la lente esférica GRIN tiene un índice de refracción que varía de forma continua, teniendo la variación del índice de refracción una discontinuidad en gradiente entre las dos extensiones radiales. La discontinuidad es la mínima mostrada cerca de la superficie externa de la lente.
Cada una de las dos distribuciones del índice de refracción a modo de ejemplo proporciona una lente esférica GRIN que tiene un índice de refracción en su centro que es superior a un índice de refracción en su superficie externa. Además, puede observarse que el material transparente tiene un índice de refracción que es inferior a un índice de refracción de la lente esférica GRIN en su superficie externa.
Preferiblemente, la razón del índice de refracción de la lente esférica GRIN en su superficie externa con respecto al índice de refracción del material transparente está entre 1 y 2, por ejemplo entre 1,02 y 1,2. Además preferiblemente, la razón del índice de refracción de la lente esférica GRIN en su centro con respecto al índice de refracción del material transparente está entre 1 y 2, por ejemplo entre 1,05 y 1,5.
Normalmente, en realizaciones de la invención, la lente esférica GRIN tiene una distribución del índice de refracción que está en promedio, a través de una sección transversal radial, entre 1,4 y 1,8, y el material transparente tiene un índice de refracción superior a 1,3. Como un ejemplo, el índice de refracción puede variar entre 1,503 y 1,516 para una longitud de onda operativa de 1320 mm.
El material transparente tal como se describe en cada una de las realizaciones anteriores está formado preferiblemente, por ejemplo como dos mitades que encajan entre sí, mediante un procedimiento de moldeo. De esta manera, el material puede conformarse de forma precisa para soportar la lente esférica GRIN concéntricamente con respecto a sus superficies esféricas interna y externa. Por supuesto, pueden usarse procedimientos alternativos dependiendo de diversos criterios, tales como las dimensiones globales, requisitos de rendimiento y demandas operativas tales como robustez.
Las realizaciones anteriores deben entenderse como ejemplos ilustrativos de la invención. Debe entenderse que cualquier característica descrita en relación a una realización cualquiera puede usarse sola, o en combinación con otras características descritas, y también puede usarse en combinación con una o más características de otra cualquiera de las realizaciones, o cualquier combinación de cualquier otra de las realizaciones. Además, también pueden emplearse equivalentes y modificaciones no descritas anteriormente sin apartarse del alcance de la invención, que se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (15)

1. Dispositivo retrorreflectante que comprende una lente de índice de refracción gradual sustancialmente esférica, una parte reflectante para retrorreflejar un haz de radiación que pasa a través de la lente de índice de refracción gradual y, rodeando al menos parcialmente la lente, un material transparente no gaseoso que tiene un índice de refracción sustancialmente uniforme, en el que dicha lente de índice de refracción gradual tiene una distribución del índice de refracción esféricamente simétrica; incluyendo dicha distribución del índice de refracción partes que tienen al menos dos extensiones radiales separadas dentro de las cuales el material de la lente tiene un índice de refracción que varía de forma continua, teniendo la variación del índice de refracción una discontinuidad en gradiente entre dichas dos extensiones radiales; y en el que dicha lente de índice de refracción gradual tiene un índice de refracción en su centro que es superior a un índice de refracción en su superficie externa.
2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el que dicho material transparente tiene un índice de refracción que es inferior a un índice de refracción de dicha lente de índice de refracción gradual en su superficie externa.
3. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la razón del índice de refracción de dicha lente de índice de refracción gradual en su superficie externa con respecto a un índice de refracción de dicho material transparente está entre 1 y 2.
4. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la razón del índice de refracción de dicha lente de índice de refracción gradual en su centro con respecto al índice de refracción de dicho material transparente está entre 1 y 2.
5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho material transparente rodea al menos aproximadamente la mitad de la lente.
6. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que al menos parte de dicho material transparente está ubicado entre dicha lente de índice de refracción gradual y la parte reflectante.
7. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha parte reflectante incluye una superficie reflectante sustancialmente esférica dispuesta concéntricamente con respecto a dicha lente de índice de refracción gradual.
8. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que un contorno del material transparente alejado de dicha lente, y a través del que pasa un haz de radiación para retrorreflejarse, está definido por una superficie transparente sustancialmente esférica dispuesta concéntricamente con respecto a la lente de índice de refracción gradual.
9. Dispositivo según la reivindicación 7 y 8, en el que dichas superficie reflectante sustancialmente esférica y superficie transparente sustancialmente esférica tienen sustancialmente el mismo radio de curvatura.
10. Dispositivo según la reivindicación 7 y 8, en el que dichas superficie reflectante sustancialmente esférica y superficie transparente sustancialmente esférica tienen diferentes radios de curvatura.
11. Dispositivo según la reivindicación 10, en el que dicha superficie reflectante sustancialmente esférica tiene un radio de curvatura menor que el de dicha superficie transparente sustancialmente esférica.
12. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que un contorno del material transparente alejado de dicha lente, y a través del que pasa un haz de radiación para retrorreflejarse, está definido por una superficie sustancialmente plana.
13. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho material transparente comprende un componente moldeado sólido.
14. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho material transparente tiene un índice de refracción superior a 1,3.
15. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha lente de índice de refracción gradual tiene una distribución del índice de refracción, que está en promedio, a través de una sección transversal radial, entre 1,4 y 1,8.
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