ES2323564B2

ES2323564B2 - VARIABLE FOCAL OPTICAL DEVICE.

Info

Publication number: ES2323564B2
Application number: ES200900578A
Authority: ES
Inventors: Manuel Perez Cagigal; Vidal Fernandez Canales; Pedro Valle Herrero
Original assignee: Universidad de Cantabria
Current assignee: Universidad de Cantabria
Priority date: 2009-02-25
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2010-05-05
Anticipated expiration: 2029-02-25
Also published as: ES2323564A1

Abstract

Dispositivo óptico de focal variable que comprende una pluralidad de filtros (41, 42) que tienen una distribución de fase determinada y soporte para filtros configurado para producir un desplazamiento de foco óptico cuando uno de los filtros (42) es rotado con respecto a otro (41).Optical device with variable focal length it comprises a plurality of filters (41, 42) that have a determined phase distribution and filter support configured to produce an optical focus shift when one of the Filters (42) is rotated with respect to another (41).

Description

Dispositivo óptico de focal variable.Optical device with variable focus.

Object of the invention

La invención concierne al diseño de dispositivos ópticos de focal variable realizados a partir de filtros de fase. El dispositivo consiste en un par de filtros de fase que se disponen uno a continuación del otro. La variación de la posición del foco se consigue mediante la rotación de un filtro con respecto al otro.The invention concerns the design of devices Variable focal optics made from phase filters. The device consists of a pair of phase filters that are They have one after the other. Position variation focus is achieved by rotating a filter with respect to the other.

Background

Los sistemas ópticos de formación de imágenes, independientemente de su complejidad, están caracterizados por sus planos focales y sus planos principales. La distancia entre plano principal y plano focal se denomina distancia focal y es uno de los parámetros que definen el comportamiento del sistema óptico.Optical imaging systems, regardless of their complexity, they are characterized by their focal planes and their main planes. The distance between planes main and focal plane is called focal length and is one of the parameters that define the behavior of the optical system.

Para que un sistema óptico sea versátil ha de tener la capacidad de formar imágenes de objetos situados a diferentes distancias. Esto se puede conseguir variando la distancia entre el sistema óptico y el detector. Sin embargo, hay sistemas en los que esto no es posible bien por tener una geometría que no permite desplazamientos o bien por tener limitaciones de espacio (por ejemplo en las cámaras de teléfonos móviles). En estos casos, la solución ideal sería disponer de un sistema cuya distancia focal se pueda cambiar de un modo simple y que ocupe un mínimo espacio.For an optical system to be versatile it must have the ability to form images of objects located at Different distances This can be achieved by varying the distance between the optical system and the detector. However, there are systems in which this is not possible either by having a geometry that does not allow displacements or because of limitations of space (for example in mobile phone cameras). In these cases, the ideal solution would be to have a system whose distance focal can be changed in a simple way and that occupies a minimum space.

La forma más sencilla de cambiar la focal de un sistema óptico es combinarlo con una lente auxiliar. Por ejemplo, si consideramos que estamos utilizando lentes delgadas que se sitúan en contacto, la inversa de la distancia focal del sistema óptico total se puede estimar como la suma de las inversas de las distancias focales de cada una de las lentes.The easiest way to change the focus of a Optical system is to combine it with an auxiliary lens. For example, if we consider that we are using thin lenses that placed in contact, the inverse of the focal length of the system total optical can be estimated as the sum of the inverse of the focal distances of each of the lenses.

Otra posibilidad son los sistemas llamados Zoom, que permiten desplazamiento continuo de foco. Están compuestos por pares de lentes convergente- divergente, de forma que al variar la distancia entre ellas se puede modificar la distancia focal del sistema óptico total. En general ofrecen buenos resultados aunque presentan limitaciones como son su gran tamaño y, en algunos casos, la falta de calidad en la imagen.Another possibility is the systems called Zoom , which allow continuous focus shift. They are composed of pairs of convergent-divergent lenses, so that by varying the distance between them, the focal length of the total optical system can be modified. In general they offer good results although they have limitations such as their large size and, in some cases, the lack of image quality.

Actualmente se están desarrollando una serie de dispositivos que, siendo más compactos que los zoom tradicionales, producen los mismos resultados. Así, están los dispositivos basados en lentes de cristal líquido que permiten modular el perfil radial de fase mediante impulsos eléctricos. También se encuentran los sistemas de lentes líquidas basados en una membrana interpuesta entre dos medios como agua-aire, agua- aceite, etc. Esta membrana puede cambiar su curvatura como respuesta a un estimulo externo que puede ser presión, campo eléctrico, etc. Estos sistemas parecen prometedores aunque, al ser muy recientes, todavía no se han explorado en profundidad sus prestaciones.A series of devices are currently being developed that, being more compact than traditional zooms , produce the same results. Thus, there are devices based on liquid crystal lenses that allow modulating the radial phase profile by means of electrical impulses. There are also liquid lens systems based on a membrane interposed between two media such as water-air, water-oil, etc. This membrane can change its curvature in response to an external stimulus that can be pressure, electric field, etc. These systems seem promising although, being very recent, their benefits have not yet been fully explored.

Por otro lado, los intentos para realizar sistemas ópticos delgados fueron iniciados por Fresnel en 1822 creando una lente escalonada que conseguía un efecto de enfoque similar al de otras lentes pero con un espesor mucho menor.On the other hand, attempts to make thin optical systems were initiated by Fresnel in 1822 creating a stepped lens that achieved a focusing effect similar to other lenses but with a much smaller thickness.

El dispositivo objeto de la invención combina la estrategia de modulación del perfil radial de fase de las lentes de cristal líquido con el uso de distribuciones escalonadas de fase. En concreto se trata de un par de filtros de fase que se sitúan en la pupila de un sistema óptico. Cuando los dos filtros se colocan de forma que no hay rotación entre ellos, su efecto sobre el sistema óptico es nulo, es decir, la distancia focal del sistema óptico es la misma que tenía antes de la introducción del dispositivo. Sin embargo, cuando se produce una rotación entre los filtros la distribución de fase en la pupila del sistema varía. Cuando se llega al punto de máxima rotación la distribución de fase es una versión escalonada del perfil de fase que tendría una lente auxiliar y con ello se modifica la distancia focal del sistema óptico.The device object of the invention combines the strategy of modulation of the radial phase profile of the lenses liquid crystal with the use of phased phase distributions. Specifically it is a pair of phase filters that are located in The pupil of an optical system. When the two filters are placed so that there is no rotation between them, its effect on the optical system is null, that is, the focal length of the system optical is the same as it had before the introduction of device. However, when there is a rotation between filters the phase distribution in the pupil of the system varies. When the point of maximum rotation is reached, the phase distribution it is a staggered version of the phase profile that would have a lens auxiliary and with it the focal length of the system is modified optical.

Description of the invention

El dispositivo objeto de la invención es un sistema óptico que contiene dos o más filtros y que se caracteriza por la variación de su distancia focal cuando se rota al menos uno de los filtros con respecto a otro. Según la elección de los filtros el dispositivo se caracteriza por comportarse como un sistema multifocal o se caracteriza por comportarse como un sistema de focal variable.The device object of the invention is a optical system that contains two or more filters and that is characterized by the variation of its focal length when at least one is rotated of filters with respect to another. According to the choice of filters the device is characterized by behaving like a system multifocal or is characterized by behaving as a system of variable focal.

La estructura de los filtros depende de los objetivos que se persigan. Como ejemplo de funcionamiento se describe un dispositivo que consta de dos filtros iguales. Los filtros son de fase y la distribución de fase en la superficie de cada filtro es discreta. Cada filtro está dividido en una serie de coronas concéntricas y cada corona en una serie de sectores. En la figura 1 se muestra un esquema de filtro compuesto por tres coronas (a,b,c) y cada una por cuatro sectores (1, 2, 3, 4). En cada uno de los sectores se dispone un desfase con valores que dependen de las prestaciones requeridas. Este desfase se puede obtener por variación de espesor, de índice de refracción o una combinación de ambos. Aunque los posibles valores de fase son infinitos, tras algunas consideraciones teóricas se concluye que los múltiplos de \pi/2 son los óptimos para la realización de este dispositivo.The structure of the filters depends on the objectives to be pursued. As an example of operation, describes a device consisting of two equal filters. The filters are phase and the phase distribution on the surface of Each filter is discrete. Each filter is divided into a series of concentric crowns and each crown in a series of sectors. In the Figure 1 shows a filter scheme composed of three crowns (a, b, c) and each one by four sectors (1, 2, 3, 4). In each of the sectors have a lag with values that depend on the required benefits. This lag can be obtained by variation in thickness, refractive index or a combination of both of them. Although the possible phase values are infinite, after some theoretical considerations it is concluded that the multiples of \ pi / 2 are optimal for the realization of this device.

En la figura 2a se muestran los valores de fase que ha de tener cada segmento para realizar uno de los filtros que componen el dispositivo. En la figura 2b se muestra la fase total del conjunto de dos filtros iguales superpuestos. Se observa que hay dos coronas con fase cero. La corona intermedia presenta valores de fase que alternan entre 0 y \pi. En la figura 2c se muestran los valores de fase que se obtienen cuando se superponen dos filtros rotados \pi/2 entre sí. El resultado es una distribución radial escalonada con salto de \pi/2 y que produce un corrimiento de foco cuya magnitud dependerá de las características del sistema óptico en cada caso.The phase values are shown in Figure 2a that each segment must have to perform one of the filters that Make up the device. Figure 2b shows the total phase of the set of two overlapping equal filters. It is noted that there are Two crowns with zero phase. The intermediate crown has values of phase that alternate between 0 and \ pi. Figure 2c shows the phase values that are obtained when two filters overlap rotated \ pi / 2 to each other. The result is a radial distribution staggered with \ pi / 2 jump and producing a focus shift whose magnitude will depend on the characteristics of the optical system in each case.

Como se ha dicho, la estructura de los filtros depende de los requisitos de cada aplicación. En el ejemplo de la figura 2 se utilizan cuatro sectores pero este número puede variarse para tener imágenes más simétricas transversalmente o reducir la rotación necesaria para alcanzar el desplazamiento máximo.As stated, the structure of the filters It depends on the requirements of each application. In the example of the figure 2 four sectors are used but this number can be varied to have more symmetric images transversely or reduce the rotation needed to achieve displacement maximum.

El número de coronas, siempre que mantengamos el salto de fase igual a \pi/2, nos dará la magnitud del desplazamiento del foco. En la figura 3 se observa que la curvatura de una superficie aproximada por seis escalones es mucho mayor que la aproximada por tres escalones. Por tanto para aumentar el desplazamiento de foco únicamente es necesario aumentar el número de coronas.The number of crowns, as long as we keep the phase jump equal to \ pi / 2, will give us the magnitude of focus shift Figure 3 shows that the curvature of an area approximately six steps is much larger than the approximate by three steps. Therefore to increase the focus shift is only necessary to increase the number of crowns.

Para cambiar el signo del desplazamiento de foco es necesario invertir el orden de los escalones de fase, es decir, si se comenzaba con fase cero en el centro, aumentando \pi/2 en cada corona, para cambiar la curvatura se situará el máximo valor de fase en el centro y se irá disminuyendo hacia los bordes. Hay que tener en cuenta que fases con valores superiores a 2\pi se comportan igual que si se les resta 2\pi por lo que el conjunto de valores de fase utilizado en estos filtros será siempre 0, \pi/2, \pi, y 3\pi/2.To change the focus shift sign it is necessary to reverse the order of the phase steps, that is, if it started with zero phase in the center, increasing \ pi / 2 in each crown, to change the curvature the maximum value of phase in the center and will decrease towards the edges. Must take into account that phases with values greater than 2 \ pi are they behave the same as if 2 \ pi are subtracted so the set of phase values used in these filters will always be 0, \ pi / 2, \ pi, and 3 \ pi / 2.

El desplazamiento de foco puede ocurrir de una forma continua entre el punto inicial y final, cuando el número de coronas es pequeño, o de forma discontinua cuando el número de coronas es grande. En ambos casos la calidad de los focos inicial y final es excelente y comparable a la que habría cuando no se utiliza el dispositivo.Focus shift may occur in a continuously between the start and end point, when the number of crowns is small, or discontinuously when the number of Crowns is big. In both cases the quality of the initial foci and final is excellent and comparable to what it would be when you don't Use the device.

El dispositivo que hemos descrito como ejemplo está compuesto por sólo dos filtros de fase pero es posible utilizar un dispositivo que se caracteriza porque consta de tres o más filtros, o un dispositivo que se caracteriza porque los filtros son diferentes entre sí o un dispositivo que se caracteriza porque los filtros son de amplitud y fase simultáneamente.The device we have described as an example It is composed of only two phase filters but it is possible use a device that is characterized because it consists of three or more filters, or a device that is characterized because the filters they are different from each other or a device that is characterized because The filters are amplitude and phase simultaneously.

Description of the figures

Figura 1. - Esquema de un filtro de fase compuesto por tres coronas (a, b, c) y cuatro sectores (1, 2, 3, 4). Los sectores en cada corona pueden tener un valor de fase distinto.Figure 1. - Diagram of a phase filter composed of three crowns (a, b, c) and four sectors (1, 2, 3, 4). The sectors in each crown can have a phase value different.

Figura 2A. - Distribución de fase que presenta un único filtro.Figure 2A - Phase distribution that presents A single filter

Figura 2B. - Distribución de fase que presenta dos filtros iguales al descrito en la Figura 2A y superpuestos sin rotación entre ellos.Figure 2B - Phase distribution that presents two filters equal to that described in Figure 2A and superimposed without rotation between them.

Figura 2C. - Distribución de fase que presenta dos filtros iguales al descrito en la Figura 2A y superpuestos pero uno de ellos rotado \pi/2 respecto del otro.Figure 2C - Phase distribution that presents two filters equal to that described in Figure 2A and superimposed but one of them rotated \ pi / 2 with respect to the other.

Figura 3. - Valores de las coronas de fase en función del cuadrado del radio de la pupila para un filtro de tres coronas (31) y otro de seis coronas (32).Figure 3. - Values of the phase crowns in function of the square of the pupil radius for a filter of three crowns (31) and another of six crowns (32).

Figura 4. - Montaje de dos filtros (41, 42) de tres coronas sobre un soporte (43) que permite girar el segundo filtro (42) respecto del primer filtro (41) actuando sobre un anillo (44).Figure 4. - Assembly of two filters (41, 42) of three crowns on a support (43) that allows the second to rotate filter (42) with respect to the first filter (41) acting on a ring (44).

Preferred Embodiment of the Invention

A continuación se describe una realización de la invención sin perjuicio de otras posibles realizaciones.An embodiment of the invention without prejudice to other possible embodiments.

El sustrato sobre el que se realice el filtro puede ser de diferentes materiales como vidrio, plástico, polímero, etc. Puede ser rígido o flexible. La única condición que ha de cumplir es que sea transparente y que presente una fase prácticamente constante en toda su superficie.The substrate on which the filter is made It can be of different materials such as glass, plastic, polymer, etc. It can be rigid or flexible. The only condition that has to to comply is to be transparent and to present a phase practically constant throughout its surface.

Para fabricar un filtro de fase hay varias estrategias. Se pueden depositar diferentes espesores de un material de índice de refracción conocido o tallar cavidades de diferente profundidad en el sustrato. El objetivo en ambos casos es producir una variación local de la fase \phi(\rho,\theta) del frente de onda que atraviesa el filtro (\rho y \theta son las coordenadas polares en el plano del filtro). En el caso en el que se deposite una película delgada sobre cada sector del filtro, la fase en cada sector se obtiene como \phi(\rho,\theta) = \frac{2\pi}{\lambda}d(\rho,\theta)n, donde \lambda es la longitud de onda de la radiación incidente, n es el índice de refracción del material que forma la película delgada y d(\rho,\theta) es el espesor de la película delgada depositada, que es una función de las coordenadas. De esta forma, eligiendo espesor e índice de refracción de la película, se pueden realizar depósitos que proporcionen fases con los valores deseados.To make a phase filter there are several strategies. Different thicknesses of a known refractive index material can be deposited or cavities of different depth carved into the substrate. The objective in both cases is to produce a local variation of the phase \ phi (\ rho, \ theta) of the wavefront that crosses the filter (\ rho and \ theta are the polar coordinates in the plane of the filter). In the case where a thin film is deposited on each sector of the filter, the phase in each sector is obtained as \ phi (\ rho, \ theta) = \ frac {2 \ pi} {\ lambda} d (\ rho , the) n , where λ is the wavelength of the incident radiation, n is the refractive index of the material that forms the thin film and d (\, the) is the thickness of the deposited thin film, That is a function of the coordinates. In this way, by choosing thickness and refractive index of the film, deposits can be made that provide phases with the desired values.

También es posible modificar el índice de refracción de una lámina de espesor constante. En estos casos, se puede reproducir el perfil de fase deseado modificando el índice de refracción local mediante la técnica de implantación de iones.It is also possible to modify the index of refraction of a sheet of constant thickness. In these cases, it you can reproduce the desired phase profile by modifying the index of local refraction using the ion implantation technique.

Continuando con el caso mostrado en las figura 2A, 2B, 2C, es decir, un dispositivo compuesto por dos filtros de fase, se puede tomar como sustrato un vidrio con una calidad óptica suficiente como para no perturbar el resultado. El siguiente paso es obtener sectores con los valores de fase deseados. Se puede realizar el depósito de una capa de espesor constante (que en este caso ha de ser de un material transparente para evitar una modulación de amplitud no deseada) y a continuación, mediante alguno de los procedimientos habituales, eliminar material hasta dejar el espesor preciso para que los valores de desfase en cada región sean múltiplos de \pi/2.Continuing with the case shown in the figures 2A, 2B, 2C, that is, a device consisting of two filters of phase, a glass with an optical quality can be taken as a substrate Enough not to disturb the result. The next step is Obtain sectors with the desired phase values. It can make the deposit of a layer of constant thickness (which in this case must be of a transparent material to avoid a unwanted amplitude modulation) and then, using some of the usual procedures, remove material until leaving the precise thickness so that the offset values in each region are multiples of \ pi / 2.

En la figura 4 se muestra una posible realización de la invención que consta de dos filtros (41, 42) de tres zonas que se colocan paralelos entre sí y uno a continuación del otro. El filtro (41) va sujeto al soporte (43) mientras que el filtro (42) va sujeto a un anillo (44) que puede girar en el interior del soporte (43). Actuando sobre la protuberancia (45) es posible girar un filtro con respecto al otro y producir así un desplazamiento de foco. El soporte de los filtros (43), puede ser circular para facilitar el giro de uno de los filtros (42) con respecto al otro (41). El giro se puede realizar de forma manual, de forma mecánica e incluso puede ser controlado de forma automática por un dispositivo electrónico adicional.Figure 4 shows a possible embodiment of the invention consisting of two filters (41, 42) of three zones that are placed parallel to each other and one below of the other. The filter (41) is attached to the support (43) while the filter (42) is attached to a ring (44) that can rotate in the inside of the support (43). Acting on the bulge (45) is possible to rotate one filter with respect to the other and thus produce a focus shift The filter holder (43) can be circular to facilitate the rotation of one of the filters (42) with with respect to the other (41). The turn can be done manually, mechanically and can even be controlled automatically by an additional electronic device.

Claims

1. Optical variable focal device comprising a plurality of filters (41, 42) having a given phase distribution and filter holder, where each of said filters (41, 42) is formed by a plurality of concentric crowns and these in turn are divided into a plurality of sectors, where each of the sectors of each crown has a certain phase value, characterized in that the device is configured so that one of the filters (42) is rotated with respect to another (41), where said rotation produces a stepped radial distribution of the joint phase of said filters (41, 42) which in turn produces an optical focus shift of the device.

2. Optical variable focal device according to claim 1, characterized in that it is configured to be used as an intraocular lens.

3. Optical variable focal device according to claim 1, characterized in that it is configured to behave as a multifocal system.

4. Optical variable focal device according to claim 1, characterized in that it is configured to behave as a variable focal system.

5. Variable focal optical device according to claim 1, characterized in that it comprises at least three filters.

6. Optical device varifocal according to claim 1, characterized in that the filters (41, 42) are different.

7. Optical variable focal device according to claim 1, characterized in that the filters (41, 42) are amplitude and phase simultaneously.