ES2279665B2 - Interferometro de difraccion por orificio, ido, para inspeccion y medida de componentes opticos oftalmicos. - Google Patents
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Abstract
Interferómetro de difracción por orificio, IDO, para inspección y medida de componentes ópticos oftálmicos, que comprende una fuente de radiación (1), un sistema de lentes (3), un soporte adecuado a cada tipo de componente oftálmico bajo test (4), una lente focalizadora (5), una lámina semitransparente con un orificio (6) y un sistema de adquisición de imágenes (10). El orificio genera una onda cuasi-esférica de referencia que interfiere con la porción del haz que pasa por fuera del mismo. El patrón de interferencia proporciona las características ópticas del componente, incluyendo defectos. Debido a que el tamaño del orificio de la lámina semitransparente es mayor que el limitado por difracción de la onda que sobre él incide, el interferómetro resulta robusto y de fácil alineamiento.
Description
Interferómetro de difracción por orificio, IDO,
para inspección y medida de componentes ópticos oftálmicos.
La invención consiste en un interferómetro de
difracción por orificio para inspección, análisis y medida de las
propiedades ópticas de distintos componentes ópticos oftálmicos,
tales como lentes progresivas, lentes de contacto rígidas y blandas,
lentes intraoculares, etc.
La metrología óptica es la caracterización de
sistemas, superficies y materiales mediante el uso de métodos
ópticos de medida. Entre ellos, la interferometría destaca por su
eficiencia para medir la calidad de elementos ópticos tales como
lentes, espejos o sistemas combinados de lentes y/o espejos.
Para la medida de aberraciones ópticas, se
pueden emplear distintos tipos de interferómetros basados en
técnicas de desplazamiento lateral o basados en el diseño de
Michelson o Mach-Zenhder (E. Hetch, Óptica, Cap. 9.,
Adison Wesley, Madrid, 2000); pero debido a la necesidad de crear
una onda de referencia mediante división del haz, su
implementación en un aparato compacto y robusto, de uso comercial se
hace prácticamente imposible.
Los interferómetros de camino común son
candidatos idóneos para resolver el problema anterior. Entre ellos,
el interferómetro de difracción por punto (IDP), (R.N. Smartt and
J. Strong, J. Opt. Soc. Am. 62, 737 (1972)), permite generar
ondas de referencia esféricas ideales mediante la difracción
producida por orificios extremadamente pequeños, denominados puntos
(entendiéndose por puntos aquellos orificios con diámetros menores
que el de la figura de Airy del haz que incide sobre ellos),
realizados en láminas semitransparentes. De esta forma se evita el
paso de la luz a través de ópticas de división de haz (espejos,
divisores de haz, etc.) que además conllevarían aberraciones.
Otra ventaja que presenta el IDP, además de la
sencillez de su principio de funcionamiento, es la interpretación
de los patrones de interferencia, trivial en muchos casos,
haciéndolo atractivo, además, como dispositivo de inspección.
Al IDP originalmente propuesto por Smartt (R.N.
Smartt op. cited) se le han ido añadiendo modificaciones
(K.A. Goldberg, US Patent No. 6,307,635; J.E. Millerd, et al.
Procc. SPIE Vol. 5531, 264 (2004)) que no alteran su sencillez
inicial, y que permiten obtener en los IDP's más sofisticados
precisiones en recuperación de fases del orden de
\lambda/300-\lambda,/400, siendo \lambda, la
longitud de onda utilizada.
Por otra parte, los componentes oftálmicos son
componentes ópticos que están integrados dentro de un proceso
fisiológico de formación de imagen y, por ello, los requisitos de
caracterización difieren en gran medida de otros componentes
ópticos, tanto sencillos (superficies planas, lentes, espejos, etc)
como más complejos (objetivos fotográficos o de microscopios,
etc.). Así por ejemplo, teniendo en cuenta que para visión central
el ojo utiliza solamente una pequeña fracción de las lentes
oftálmicas en un instante pequeño de tiempo, la lente sólo necesita
proporcionar calidad en una región de diámetro aproximadamente
comparable al de la pupila del ojo, no en su totalidad.
El avance en las técnicas de fabricación de los
componentes oftálmicos ha permitido producir componentes ópticos
cada vez más sofisticados, tanto intra como extraoculares, que
corrigen defocalización y astigmatismos en toda su complejidad
patológica a través de lentes y lentillas esféricas, tóricas,
asféricas, bifocales y multifocales. Además, el desarrollo reciente
de métodos eficientes y precisos de medida del conjunto de
aberraciones oculares de alto orden, por ejemplo con sensores de
Shack-Hartmann (J. Liang et al. J. Opt. Soc.
Am. A 14,2873 (1997)); o mediante Trazados de Rayos Láser (R.
Navarro et al. Optom.Vision Sci. 74, 540 (1997)) ha dado
lugar al desarrollo de nuevos componentes oftálmicos (N. Chateau,
et al. J. Opt. Soc. Am. A 15, 2589 (1998); N. López et
al. J. Opt. Soc. Am. A 15, 2563 (1998); S. Bará, et al.
Patente No. ES2163369) que permiten compensar aberraciones de
órdenes superiores, pudiéndose prever para un futuro próximo una
tendencia a la fabricación de lentes correctoras
personalizadas.
Junto con la evolución de la fabricación de
nuevos componentes ópticos oftálmicos se han ido desarrollado
nuevas técnicas de medida ya que los frontofocómetros
convencionales (D.B. Henson, Optometric Instrumentation, Cap. 11,
Butterworths, Londres (1983)) presentan muy poca o ninguna
capacidad para determinar las características ópticas de todos los
nuevos elementos correctores de defectos de visión (en la mayoría
de los casos es imposible determinar la potencia de forma fiable,
incluso en el centro). Por tanto, son necesarios dispositivos que
proporcionen un mapa de potencias de regiones cada vez más amplias
de los componentes oftálmicos proporcionando resultados de
precisión y reproducibilidad.
Como ya se indicó anteriormente, los requisitos
de caracterización de componentes oftálmicos difieren en gran
medida de otros componentes ópticos y conviene resaltar que la
precisión necesaria para caracterizarlos es menor que la necesaria
para caracterizar componentes ópticos en general. En la mayoría de
los componentes ópticos, las tolerancias admitidas se expresan en
fracciones de la longitud de onda utilizada. Sin embargo, en
componentes oftálmicos se admiten tolerancias del orden o incluso
varias longitudes de onda.
Hasta la fecha, sólo hay dos instrumentos
comerciales que también permiten caracterizar con precisión los
nuevos componentes ópticos oftálmicos: El Visionix 2001
(www.visionix.com) que utiliza un sensor
Shack-Hartmann cuya matriz de microlentes
proporciona del orden de 500 puntos de muestreo; y el Rotlex Contest
(www.rotlex.com) basado en deflectometría Moire, que aunque
presenta mayor resolución espacial (35000 puntos de muestreo), al
igual que el anterior dispositivo, necesita del soporte informático
(ya que no proporcionan directamente los mapas de fase, sino medidas
indirectas) incluso para una simple inspección subjetiva que no
necesite resultados numéricos, y que permita, por ejemplo, la
clasificación de componentes sencillos o la detección de
defectos.
El objeto de la presente invención es la
implementación de un interferómetro que hemos denominado de
difracción por orificio (IDO). Es un interferómetro de precisión
media basado en el principio de funcionamiento del de difracción por
punto, IDP. El IDO se diferencia del IDP en que la onda esférica de
referencia se genera mediante un orificio cuyo diámetro es mayor
que el de la figura de Airy del haz que incide sobre él. De esta
forma no se produce una onda esférica ideal, sino una onda
cuasi-esférica que aunque obviamente resta precisión a las
medidas, ésta es suficiente para medir componentes oftálmicos.
La Figura 1 ilustra la versión básica de la
invención, que comprende: Una fuente de radiación electromagnética
(1); un sistema óptico (2) formado por distintos componentes
ópticos que modula espacial y espectralmente el haz de luz que va a
iluminar el componente óptico oftálmico; un soporte para éste (3);
una lente convergente (4) cerca de cuyo plano focal se sitúa la
lámina semitransparente con el orificio (5). El orificio será el
que genere la onda esférica de referencia. Por último, un sistema de
adquisición de imágenes (7).
Entendiéndose que las componentes esféricas y
cilíndricas del haz de luz a la salida del componente oftálmico
pueden ser consideradas como aberraciones de orden 2 respecto a un
frente de onda plano, entonces en el plano focal de la lente se
tiene en esencia un patrón de difracción de Airy afectado por las
aberraciones no sólo de bajo orden sino también las de alto orden
del componente. La pequeña porción de radiación que pasa a través
del orificio genera por difracción una onda cuasi-esférica
que interferirá con la otra parte de la onda que atraviesa la
membrana semitransparente. El patrón de interferencia que se genera
(6) contiene toda la información de las características
focalizadoras del componente oftálmico que se desea analizar. El
patrón de interferencias se puede recoger, por ejemplo, en una
pantalla o en una cámara CCD (Charged Coupled Device) (5). En caso
de que el componente óptico oftálmico sea una lente intraocular se
puede eliminar del dispositivo la lente focalizadora (4) dado su
alto valor dióptrico, y situar directamente la lámina
semitransparente con el orificio en el plano focal de la lente
intraocular, manteniendo el resto de los elementos de la presente
invención. (Figura 2).
La precisión del interferómetro y su rango
dinámico dependen de la relación entre el tamaño del orificio y la
transmitancia (o equivalentemente de la densidad óptica) de la
lámina semitransparente. La utilización de orificios, en vez de
puntos, reduce la precisión y sensibilidad del dispositivo, pero
esta pérdida de precisión, más que suficiente para la medida de
componentes ópticos oftálmicos, se ve compensada por:
a) un incremento del rango dinámico del
interferómetro, es decir, permite obtener interferogramas con buen
contraste de grandes cantidades de aberraciones; y
b) un alineamiento fácil, que hace del IDO un
dispositivo de medida robusto.
Una vez que la relación "diámetro de
orificio-transmitancia" da lugar a patrones de
interferencia con visibilidad adecuada, su interpretación es simple.
Son el resultado de la interferencia producida por una onda
esférica con origen en el orificio y la onda que emerge de la lente
focalizadora. Así por ejemplo, si el componente oftálmico se ilumina
con un haz de luz colimado, y es una lente esférica, las franjas
serán círculos concéntricos cuyo espaciado sigue una ley cuadrática
proporcional a la potencia de la lente. Si es una lente cilíndrica,
serán franjas lineales; y si es esferocilíndrica, bien elipses (en
general giradas) si las dos potencias son del mismo signo, o
hipérbolas (en general giradas) si son de signos opuestos
(obedeciendo su espaciado también una ley cuadrática). El
desplazamiento de los patrones de interferencia (respecto al eje del
sistema) relativo al desplazamiento del orificio (también respecto
al eje del sistema) proporciona la potencia prismática de los
componentes.
La invención se describirá a continuación con un
ejemplo para su mejor comprensión; pero debe hacerse constar que se
pueden hacer variaciones en el dispositivo básico, e implementarse
en otras aplicaciones para medidas de objetos de fase
(entendiéndose por objetos de fase aquellos que no absorben ni
reflejan luz, sino que alteran la fase del haz de luz que sobre
ellos incide o lo deflectan).
Los objetivos del IDO incluyen la inspección de
componentes (clasificación y visualización de defectos), la
realización de medidas objetivas y precisas de las lentes
disponibles en el mercado, y su utilización en investigación y
desarrollo de nuevos componentes ópticos.
Fig. 1: Esquema básico del interferómetro de
difracción por punto.
Fig. 2: Esquema del interferómetro de difracción
por punto para lentes intraoculares.
Fig. 3: Interferogramas de distintas lentes
oftálmicas.
- a)
- Esférica Positiva,
- b)
- Cilíndrica Negativa
Fig. 4: Interferogramas de lentes de contacto
blandas (dentro de una cubeta de caras planoparalelas llena de
solución salina).
- a)
- Esférica Negativa
- b)
- Tórica
Fig. 5: Interferogramas de lentes
intraoculares
- c)
- Normal
- d)
- Defectuosa
Los componentes oftálmicos (lentes y lentes de
contacto esféricas, cilíndricas, tóricas, bifocales, multifocales,
progresivas, lentes intraoculares...) son los elementos ópticos en
los que se ha aplicado originalmente la invención y con los que se
ilustra. Así pues, aunque la viabilidad del IDO será descrita en
base a un prototipo y se proporcionarán detalles específicos de la
implementación, es obvio que la invención que se presenta podrá
realizarse sin tener que limitarse a los detalles aquí
descritos.
En el experimento se empleó como fuente de luz
un láser de baja potencia de Helio-Neon (longitud
de onda: 633 nm). Mediante un objetivo de microscopio comercial de
60X, un filtro espacial y una lente convergente de 5 cm de focal se
generó un haz colimado (plano) para iluminar los componentes
ópticos oftálmicos.
El soporte para los componentes es una
plataforma plana con un agujero de 4 cm de diámetro.
Las lentes oftálmicas se colocaron directamente
sobre el agujero, lo que permitió su centrado. Las lentes de
contacto blandas se colocaron dentro de una cubeta de vidrio óptico
que contenía solución salina y cuya base era mayor que el diámetro
del agujero del soporte. A continuación se situó una lente
convergente en cuyo plano focal se colocó la lámina
semitransparente con el orificio centrado sobre la mancha focal.
Las lentes intraoculares se colocaron en una
placa opaca con un agujero de 6 mm de diámetro apoyada sobre la
plataforma. Además, para este tipo de lentes se prescindió de la
lente convergente y la lámina se colocó directamente en el plano
focal de las mismas con el orificio centrado en la mancha
focal.
Las imágenes de los interferogramas se
adquirieron con una cámara CCD Pulnix Modelo TM6 AS.
En las Figuras 2, 3 y 4 se muestran
interferogramas obtenidos para distintos tipos de componentes
oftálmicos.
Claims (3)
1. Interferómetro de difracción por orificio,
IDO, para inspección y medida de componentes ópticos oftálmicos que
comprende:
- Una fuente de radiación, que puede ser tanto
monocromática como policromática (1).
- Un conjunto de componentes ópticos (2)
(filtros espaciales, filtros espectrales, lentes o sistemas de
lentes, prismas, espejos, objetivos, láminas de fase, redes de
difracción etc.) que mediante desplazamientos axiales y giros
permitan variar las características ópticas del haz de luz que
incide sobre el componente óptico oftálmico que se desea medir.
- Un soporte adecuado al componente oftálmico a
medir (3).
- Una lente focalizadora (4).
- Una lámina semitransparente (5) con un
orificio circular de diámetro mayor que el diámetro de la mancha de
Airy producida por la lente (4). La lámina estará situada en las
proximidades del plano focal de la lente (4). La lámina estará
montada sobre un posicionador que permita movimientos de
traslación en su plano y perpendiculares a éste.
- Un sistema de adquisición de imágenes (7) para
capturar el patrón de interferencia (6).
2. Interferómetro de difracción por orificio
para inspección y medida de lentes intraoculares que comprende:
- Una fuente de radiación, que puede ser tanto
monocromática como policromática (1).
- Un conjunto de componentes ópticos (2)
(filtros espaciales, filtros espectrales, lentes o sistemas de
lentes, prismas, espejos, objetivos, láminas de fase, redes de
difracción etc.) que mediante desplazamientos axiales y giros
permitan variar las características ópticas del haz de luz que
incide sobre el componente óptico oftálmico que se desea medir.
- Un soporte para la lente intraocular (3).
- Una lámina semitransparente (5) con un
orificio circular de diámetro mayor que el diámetro de la mancha de
Airy producida por la lente intraocular. La lámina estará situada
en las proximidades del plano focal de la lente intraocular situada
en (3). La lámina estará montada sobre un posicionador que permita
movimientos de traslación en su plano y perpendiculares a éste.
- Un sistema de adquisición de imágenes (7) para
capturar el patrón de interferencia (6).
3. Uso del interferómetro de difracción por
orificio, según las reivindicaciones anteriores, para su aplicación
a la medida de otro tipo de objetos de fase.
Priority Applications (3)
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|---|---|---|---|
| ES200500019A ES2279665B2 (es) | 2004-12-23 | 2004-12-23 | Interferometro de difraccion por orificio, ido, para inspeccion y medida de componentes opticos oftalmicos. |
| PCT/ES2005/000709 WO2006070037A2 (es) | 2004-12-23 | 2005-12-21 | Interferómetro de difracción por orificio, ido, para inspección y medida de componentes ópticos oftálmicos. |
| EP05850061A EP1832930A4 (en) | 2004-12-23 | 2005-12-21 | ORIFICE DIFFRACTION INTERFEROMETER (IDO) FOR THE EXAMINATION AND MEASUREMENT OF OPHTHALMIC OPTICAL COMPONENTS |
Applications Claiming Priority (1)
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| ES200500019A ES2279665B2 (es) | 2004-12-23 | 2004-12-23 | Interferometro de difraccion por orificio, ido, para inspeccion y medida de componentes opticos oftalmicos. |
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