ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
OPTICAL INSTRUMENTS

Настоящее изобретение относится к оптическим приборам, в частности микроскопам, и, более конкретно, к оптическим приборам, имеющим выходной зрачок, на котором изображение объекта может наблюдаться наблюдателем, и к дифракционным оптическим элементам для использования вместе с этими оптическим приборами.
В известных оптических приборах размер выходного зрачка определяется зависимостью числовой апертуры и суммарным увеличением оптического прибора и, следовательно, размер выходного зрачка является постоянным и сравнительно небольшим. Таким образом, наблюдателю необходимо точно совместить зрачок своего глаза (входной зрачок) с выходным зрачком оптического прибора для нормального наблюдения изображения.
Заявитель настоящего изобретения ранее разработал ряд различных оптических приборов, которые, благодаря наличию дифракционного элемента в плоскости промежуточного изображения, обеспечивают формирование эффективно увеличенного выходного зрачка и, как следствие, возможность для наблюдателя наблюдать изображение путем размещения его/ее зрачка в любом месте в пределах увеличенного выходного зрачка. Эти оптические приборы раскрыты в US-A-6028704, US-A-6608720 и US-A-7123415.
GB-A-2418345 раскрывает использование дифракционной решетки при окрашивании черно-белого фотографического изображения.
На этот раз заявитель настоящего изобретения разработал усовершенствованные оптические приборы, которые не только обеспечивают формирование эффективно увеличенного выходного зрачка, но также могут обеспечить более высокую оптическую четкость и устранить необходимость в полевой линзовой системе, которая, принимая во внимание размер поля обзора, обычно представляет собой наиболее затратный компонент в оптических приборах, будучи стеклянным компонентом, требующим высокоточной шлифовки и полировки.
В одном из аспектов настоящего изобретения предложен оптический прибор для формирования оптического изображения, предназначенного для наблюдения наблюдателем; этот оптический прибор содержит: оптическую систему для формирования оптического изображения объекта, видимого наблюдателю на выходном зрачке; и дифракционный элемент, расположенный в плоскости изображения оптической системы и выполненный с возможностью формирования набора выходных зрачков, которые воспринимаются наблюдателем как единый увеличенный выходной зрачок; дифракционный элемент содержит поверхность, имеющую набор дифракционных модулей, каждый из которых формирует один выходной зрачок указанного набора выходных зрачков и содержит микролинзу (lenticule), которая выполнена с возможностью обеспечения дифракционной интерференции света и формирования множества выходных зрачков, смещенных относительно друг друга в виде набора выходных зрачков; каждая микролинза содержит нерегулярную неровность, имеющую множество поверхностей; дифракционные модули расположены последовательно в радиальном направлении наружу от оптической оси дифракционного элемента и выполнены с обеспечением последовательности для учета возрастающего углового смещения, так что независимо от положения на апертуре дифракционного элемента и без какой-либо оборачивающей линзовой системы обеспечена возможность передачи света от принятого изображения в общую область на плоскости наблюдения напротив апертуры дифракционного элемента.
В другом аспекте настоящего изобретения предложен оптический прибор для формирования оптического изображения, предназначенного для наблюдения пользователем; этот оптический прибор содержит: оптическую систему для формирования оптического изображения объекта, видимого наблюдателю на выходном зрачке; и дифракционный элемент, расположенный в плоскости изображения оптической системы и выполненный с возможностью формирования набора выходных зрачков, которые визуально воспринимаются наблюдателем как единый увеличенный выходной зрачок; дифракционный элемент содержит поверхность, имеющую набор дифракционных модулей, каждый из которых формирует один выходной зрачок указанного набора выходных зрачков и содержит микролинзу, которая выполнена с возможностью обеспечения дифракционной интерференции света и формирования множества выходных зрачков, смещенных относительно друг друга в виде набора выходных зрачков; каждая микролинза содержит нерегулярную неровность, имеющую множество поверхностей.
В одном из вариантов дифракционный элемент выполнен с возможностью передачи света от принятого изображения в общую область на плоскости наблюдения напротив апертуры дифракционного элемента.
В одном из вариантов дифракционные модули расположены последовательно в радиальном направлении наружу от оптической оси дифракционного элемента и выполнены с обеспечением последовательности для учета возрастающего углового смещения, так что независимо от расположения на апертуре дифракционного элемента обеспечена возможность передачи света от принятого изображения передается в общую область на плоскости наблюдения.
В одном из вариантов дифракционные модули обеспечивают передачу света от принятого изображения в общую область на плоскости наблюдения без какой-либо оборачивающей линзовой системы.
В одном из вариантов микролинзы выполнены на радиальной спирали; при необходимости микролинзы выполнены на радиальной спирали с шагом спирали от примерно 40 мкм до примерно 120 мкм или от примерно 70 мкм до примерно 100 мкм и/или шаг вдоль спирали составляет от примерно 40 мкм до примерно 120 мкм или от примерно 70 мкм до примерно 100 мкм.
Еще в одном аспекте настоящего изобретения предложен оптический прибор для формирования оптического изображения, предназначенного для наблюдения пользователем, содержащий: оптическую систему для формирования оптического изображения объекта, видимого наблюдателю на выходном зрачке; и дифракционный элемент, расположенный в плоскости изображения оптической системы и выполненный с возможностью формирования набора выходных зрачков, которые визуально воспринимаются наблюдателем как единый увеличенный выходной зрачок, при этом дифракционный элемент содержит поверхность, имеющую набор дифракционных модулей, каждый из которых формирует один из выходных зрачков указанного набора выходных зрачков и содержит микролинзу, которая выполнена с возможностью обеспечения дифракционной интерференции света и формирования множества выходных зрачков, смещенных относительно друг друга в виде набора выходных зрачков, причем каждая из микролинз содержит нерегулярную неровность, имеющую множество поверхностей, и выполнена на радиальной спирали.
В одном из вариантов радиальная спираль имеет шаг от примерно 40 мкм до примерно 120 мкм или от примерно 70 мкм до примерно 100 мкм и/или шаг вдоль спирали составляет от примерно 40 мкм до примерно 120 мкм или от примерно 70 мкм до примерно 100 мкм.
В одном из вариантов дифракционный элемент выполнен с возможностью передачи света от принятого изображения в общую область на плоскости изображения напротив апертуры дифракционного элемента.
В одном из вариантов дифракционные модули расположены последовательно в радиальном направлении наружу от оптической оси дифракционного элемента и выполнены с обеспечением последовательности для учета возрастающего углового смещения, так что независимо от положения на апертуре дифракционного элемента обеспечена возможность передачи света от принятого изображения в общую область на плоскости наблюдения.
В одном из вариантов дифракционные модули обеспечивают передачу света от принятого изображения в общую область на плоскости наблюдения без какой-либо оборачивающей линзовой системы.
В одном из вариантов каждая из микролинз содержит прямолинейную линзовую поверхность, которая определяет боковую сторону и повернута или наклонена относительно поверхности дифракционного элемента; при необходимости боковая сторона линзы образует угол от примерно 65 градусов до примерно 90 градусов или от примерно 75 градусов до примерно 90 градусов с поверхностью дифракционного элемента.
Еще в одном аспекте настоящего изобретения предложен оптический прибор для формирования оптического изображения, предназначенного для наблюдения пользователем, содержащий: оптическую систему для формирования оптического изображения объекта, видимого наблюдателю на выходном зрачке; и дифракционный элемент, расположенный в плоскости изображения оптической системы и выполненный с возможностью формирования набора выходных зрачков, которые визуально воспринимаются наблюдателем как единый увеличенный выходной зрачок, при этом дифракционный элемент содержит поверхность, имеющую набор дифракционных модулей, каждый из которых формирует один из выходных зрачков указанного набора выходных зрачков и содержит микролинзу, которая выполнена с возможностью обеспечения дифракционной интерференции света и формирования множества выходных зрачков, смещенных относительно друг друга в виде набора выходных зрачков, причем каждая микролинза содержит нерегулярную неровность, имеющую множество поверхностей, и прямолинейную образующую микролинзу поверхность, которая определяет боковую сторону линзы и повернута или наклонена относительно поверхности дифракционного элемента.
В одном из вариантов дифракционный элемент выполнен с возможностью передачи света от принятого изображения в общую область на плоскости изображения напротив апертуры дифракционного элемента.
В одном из вариантов дифракционные модули расположены последовательно в радиальном направлении наружу от оптической оси дифракционного элемента и выполнены с обеспечением последовательности для учета возрастающего углового смещения, так что независимо от расположения на апертуре дифракционного элемента обеспечена возможность передачи света от принятого изображения передается в общую область на плоскости наблюдения.
В одном из вариантов дифракционные модули обеспечивают передачу света от принятого изображения в общую область на плоскости изображения без какой-либо оборачивающей линзовой системы.
В одном из вариантов микролинзы выполнены на радиальной спирали; при необходимости микролинзы выполнены на радиальной спирали с шагом радиальной спирали от примерно 40 мкм до примерно 120 мкм или от 70 мкм до примерно 100 мкм, и/или шаг вдоль спирали составляет от примерно 40 мкм до примерно 120 мкм или от примерно 70 мкм до примерно 100 мкм.
В одном из вариантов указанная боковая сторона образует угол от примерно 65 градусов до примерно 90 градусов или от примерно 75 градусов до примерно 90 градусов с поверхностью дифракционного элемента.
В одном из вариантов указанная боковая сторона представляет собой дугообразную или криволинейную поверхность; при необходимости эта боковая сторона представляет собой поверхность в форме усеченного цилиндра или усеченного конуса; при необходимости эта боковая сторона представляет собой выпуклую или вогнутую криволинейную поверхность.
В одном из вариантов каждая из микролинз содержит криволинейную линзовую поверхность, которая проходит от прямолинейной линзовой поверхности до поверхности дифракционного элемента; при необходимости эта криволинейная линзовая поверхность представляет собой вогнутую или выпуклую поверхность; при необходимости эта криволинейная линзовая поверхность имеет радиус от примерно 0,5 мм до примерно 5 мм, от примерно 0,5 мм до примерно 2 мм или от примерно 0,5 мм до примерно 1,5 мм.
В одном из вариантов микролинзы выполнены с помощью режущего инструмента; при необходимости этот режущий инструмент содержит режущий наконечник в виде усеченной сферы, имеющий плоскую часть, которая резанием формирует прямолинейную линзовую поверхность каждой из микролинз, и сферическую часть, которая резанием формирует сферическое скругление криволинейной линзовой поверхности каждой из сферических линз.
В одном из вариантов указанная сферическая часть имеет радиус от примерно 0,5 мм до примерно 5 мм, от примерно 0,5 мм до примерно 2 мм или от примерно 0,5 мм до примерно 1,5 мм.
В одном из вариантов последовательно возрастающее угловое смещение обеспечено путем выполнения микролинз дифракционных модулей с возрастающим углом наклона относительно оптической оси дифракционного элемента.
В одном из вариантов микролинзы выполнены путем наклона режущего инструмента с возрастающим углом наклона относительно оптической оси дифракционного элемента, так что микролинзы расположены последовательно в радиальном направлении наружу от оптической оси дифракционного элемента.
В одном из вариантов микролинзы имеют ширину от примерно 30 мкм до примерно 100 мкм или от примерно 40 мкм до примерно 70 мкм.
В одном из вариантов микролинзы имеют длину от примерно 30 мкм до примерно 100 мкм или от примерно 50 мкм до примерно 90 мкм.
В одном из вариантов микролинзы имеют по существу прямоугольную форму возле поверхности дифракционного элемента.
В одном из вариантов поверхность дифракционного элемента представляет собой по существу плоскую поверхность.
В одном из вариантов оптический прибор представляет собой микроскоп.
Предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения будут описаны ниже на примерах со ссылками на приложенные чертежи, из которых:
Фиг. 1 показывает оптический прибор согласно первому варианту реализации настоящего изобретения;
Фиг. 2(a) показывает вид сбоку дифракционного элемента согласно варианту оптического прибора, показанному на фиг. 1;
Фиг. 2(b) показывает местный перспективный вид дифракционного элемента, показанного на фиг. 2(a);
Фиг. 2(c) показывает местный вид в вертикальном сечении (сечение по I-I на фиг. 2(b)) дифракционного элемента, показанного на фиг. 2(a), а также показывает режущий инструмент в процессе операции резания согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения;
Фиг. 3 показывает оптический прибор согласно второму варианту реализации настоящего изобретения; и
Фиг.4 показывает местный вид в вертикальном сечении (сечение по I-I на фиг. 2(b)) дифракционного элемента оптического прибора, показанного на фиг. 3, а также показывает режущий инструмент в процессе операции резания согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения.
Фиг. 1 показывает микроскоп согласно первому варианту реализации настоящего изобретения, в данном варианте - проекционный микроскоп.
Этот микроскоп содержит объектив 3 для формирования первичного изображения объекта, находящегося в предметной плоскости (object plane, OP), в данном варианте - задаваемой диафрагмой 5, в плоскости изображения, в данном случае - в первичной плоскости изображения (primary image plane, PIP).
В данном варианте микроскоп дополнительно содержит проекционную линзу 7, которая проецирует первичное изображение объектива 3 на плоскость изображения, в данном случае - на вторичную плоскость изображения (secondary image plane, SIP), и формирует изображение апертуры объектива 3 в фокальной точке 9 проекционной линзы 7.
Микроскоп дополнительно содержит полевую линзовую систему 11, в данном варианте содержащий пару полевых линз 15, 17, для передачи выходного зрачка на плоскость наблюдения (viewing plane, VP) с тем, чтобы быть видимым глазу наблюдателя.
Микроскоп дополнительно содержит дифракционный элемент 25, в данном варианте - пропускающий элемент, который расположен во вторичной плоскости изображения SIP, в данном варианте расположенной между полевыми линзами 15, 17 полевой линзовой системы 11, и выполнен с возможностью формирования набора выходных зрачков, каждый из которых соответствует выходному зрачку, который мог бы быть создан при отсутствии дифракционного элемента 25.
При надлежащей конструкции дифракционный элемент 25 может быть выполнен с возможностью обеспечения возможности расположения выходных зрачков в виде набора выходных зрачков отдельно или в контакте, а конфигурация выбирается таким образом, чтобы набор выходных зрачков воспринималась глазом наблюдателя по существу как единый, непрерывный увеличенный выходной зрачок.
В данном варианте, как показано на фиг. 2(a) - 2(c), дифракционный элемент 25 содержит основную поверхность 37, имеющую матрицу дифракционных модулей 39, каждый из которых формирует один из выходных зрачков указанного набора выходных зрачков. Профилем и формой отдельных дифракционных модулей 39 определяется сравнительная световая энергия в каждом из отдельных изображений зрачка.
В данном варианте поверхность 37 представляет собой по существу плоскую поверхность. В альтернативном варианте поверхность 37 может представлять собой частично сферическую поверхность.
В данном варианте каждый из дифракционных модулей 39 содержит микролинзу 41, которые выполнены с возможностью обеспечения дифракционной интерференции света, проходящего через них, и формируют множество выходных зрачков, которые смещены относительно друг друга в виде набора выходных зрачков таким образом, чтобы они визуально воспринимались как единый непрерывный увеличенный выходной зрачок.
В данном варианте каждая из микролинз 41 содержит нерегулярную неровность, которая имеет множество поверхностей.
В данном варианте микролинзы 41 имеют по существу прямоугольную или квадратную форму на основной поверхности 37 дифракционного элемента 25.
В данном варианте микролинзы 41 выполнены на радиальной спирали. В альтернативном варианте микролинзы 41 могут быть выполнены на концентрических окружностях, которые могут вращаться вокруг оси, не совпадающей с осью концентрических окружностей, не допуская таким образом наблюдения концентрического узора.
В данном варианте микролинзы 41 выполнены на радиальной спирали с шагом радиальной спирали, равным 60 мкм, и шагом вдоль спирали, равным 69,3 мкм. В других вариантах шаг радиальной спирали может составлять от примерно 40 мкм до примерно 120 мкм. В других вариантах шаг вдоль спирали может составлять от примерно 40 мкм до примерно 120 мкм.
В данном варианте микролинзы 41 имеют радиальную ширину 55 мкм. В других вариантах микролинзы 41 могут иметь ширину от примерно 30 мкм до примерно 100 мкм.
В данном варианте микролинзы 41 имеют среднюю радиальную длину 100 мкм. В других вариантах микролинзы 41 могут иметь ширину от примерно 30 мкм до примерно 100 мкм.
Каждая из линз 41 содержит первую прямолинейную поверхность 42, которая повернута или наклонена относительно основной поверхности 37 дифракционного элемента 25 и образует боковую сторону линзы.
В данном варианте прямолинейная поверхность 42 образует угол β, равный 80,27 градуса, с основной поверхностью 37 дифракционного элемента 25. В других вариантах прямолинейная поверхность 42 может образовывать угол β, составляющий от примерно 65 градусов до примерно 90 градусов, с основной поверхностью 37 дифракционного элемента 25.
В данном варианте прямолинейная поверхность 42 представляет собой дугообразную или криволинейную поверхность, в данном случае - выпуклую поверхность в форме усеченного цилиндра или усеченного конуса. В альтернативном варианте прямолинейная поверхность 42 может представлять собой выпуклую поверхность в виде усеченного цилиндра или усеченного конуса.
Каждая микролинза 41 содержит вторую дугообразную или криволинейную поверхность 43, которая проходит от прямолинейной поверхности 42 до основной поверхности 37 дифракционного элемента 25.
В данном варианте дугообразная поверхность 43 представляет собой вогнутую поверхность. В другом варианте дугообразная поверхность 43 представляет собой выпуклую поверхность.
В данном варианте дугообразная поверхность 43 имеет радиус 1 мм. В других вариантах дугообразная поверхность 43 имеет радиус от примерно 0,5 мм до примерно 5 мм, предпочтительно от 0,5 мм до примерно 2 мм, еще более предпочтительно - от 0,5 мм до 1,5 мм.
В данном варианте, как показано на фиг. 2(c), микролинзы 31 выполнены с помощью режущего инструмента 51, который проходит через поверхность дифракционного элемента 25.
В данном варианте инструмент 51 содержит режущий наконечник 53 в виде усеченной сферы, имеющий плоскую часть 55, которая резанием формирует прямолинейную поверхность 42 каждой из микролинз 41, и сферическую часть 57, которая резанием формирует сферическое скругление дугообразной поверхности 43 каждой из микролинз 31. В данном варианте сферическая часть 57 имеет радиус 1 мм, а плоская часть 55 отстоит на 28,6 мкм от оси инструмента 51. В других вариантах сферическая часть 57 имеет радиус от примерно 0,5 мм до примерно 5 мм, предпочтительно от примерно 0,5 мм до примерно 2 мм, еще более предпочтительно от примерно 0,5 мм до примерно 1,5 мм.
Благодаря такой конфигурации микроскоп формирует единый увеличенный выходной зрачок, имеющий эффективный размер, соответствующий набору выходных зрачков, и этот набор выходных зрачков имеет желаемые оптические характеристики, особенно при обеспечении однородности распределения энергии полихроматического изображения.
Фиг. 3 показывает микроскоп согласно второму варианту реализации настоящего изобретения.
Микроскоп согласно данному варианту сходен с микроскопом согласно первому варианту, и поэтому для того, чтобы избежать дублирования описаний, подробно будут описаны только различия между вариантами, при этом одинаковые элементы будут обозначены одинаковым образом.
Микроскоп согласно данному варианту отличается от микроскопа согласно первому варианту тем, что в нем отсутствует полевая линзовая система 11, и вместо дифракционного элемента 25, выполненного с возможностью передачи света от принятого изображения в общую область на плоскости наблюдения VP напротив апертуры дифракционного элемента 25, в данном варианте предложено центрирование на оптической оси дифракционного элемента 25.
В данном варианте дифракционные модули 39, которые расположены последовательно в радиальном направлении наружу от оптической оси дифракционного элемента 25 и выполнены с обеспечением последовательности для учета возрастающего углового смещения, так что независимо от расположения на дифракционном элементе 25 обеспечена возможность передачи света от принятого изображения в общую область.
В данном варианте последовательно возрастающее угловое смещение обеспечивается с помощью микролинз 41 дифракционных модулей 39 с возрастающим углом наклона относительно оптической оси дифракционного элемента 25.
1
2
3
n
В данном варианте, как показано на фиг. 4, микролинзы 41 выполнены путем наклона режущего инструмента 51 с возрастающими углами наклона β, β, β, …, β относительно оптической оси дифракционного элемента 25, так что микролинзы 41 расположены последовательно в радиальном направлении наружу от оптической оси дифракционного элемента 25.
В заключение следует заметить, что настоящее изобретение было описано в своих предпочтительных вариантах реализации и может быть модифицировано многими различными путями без выхода за рамки объема изобретения, определяемого приложенной формулой изобретения.
Например, в описанных вариантах дифракционный элемент 25 представляет собой пропускающий элемент, однако понятно, что этот дифракционный элемент 25 может быть выполнен и в виде отражающего элемента.