ES2325698B1 - Camara de fase para la medida de distancias y de aberraciones de frente de onda en diversos entornos mediante slice de fourier. - Google Patents
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Abstract
Cámara de fase para la medida de distancias y de
aberraciones de frente de onda en diversos entornos mediante Slice
de Fourier.
El sistema aquí propuesto consiste en una cámara
de fase formada por microlentes colocadas en el foco de una lente
convergente, y cuyos datos, interpretados mediante la técnica
combinada de "Slice" de Fourier y de detección de bordes con
Transformada Rápida de Fourier, permiten obtener tanto el mapa
tridimensional del frente de onda como el mapa de profundidades en
escenas reales dentro de un amplio rango de volúmenes.
Esta invención puede ser útil en cualquier área
o aplicación en que se requiera conocer el frente de onda:
observación astronómica terrestre, oftalmología,... así como en las
que se precise metrología: escenas reales, pulido de CCDs, mecánica
de automóvil,... Se aplica al caso particular de tomografía de
atmósfera en observaciones con ELTs (Telescopios de Gran diámetro:
50 ó 100 metros).
Description
Cámara de fase para la medida de distancias y de
aberraciones de frente de onda en diversos entornos mediante Slice
de Fourier.
El sistema aquí propuesto consiste en una cámara
de fase formada por microlentes colocadas en el foco de una lente
convergente, y cuyos datos, interpretados mediante la técnica
combinada de "Slice" de Fourier y de detección de bordes con
Transformada Rápida de Fourier, permiten obtener tanto el mapa
tridimensional del frente de onda como el mapa de profundidades en
escenas reales dentro de un amplio rango de volúmenes.
Esta invención puede ser útil en cualquier área
o aplicación en que se requiera conocer el frente de onda:
observación astronómica terrestre, oftalmología,... así como en las
que se precise metrología: escenas reales, pulido de CCDs, mecánica
de automóvil,... Se aplica al caso particular de tomografía de
atmósfera en observaciones con ELTs (Telescopios de Gran diámetro:
50 ó 100 metros).
Óptica. Procesamiento de imágenes.
La presente invención está relacionada tanto con
la necesidad de lograr una medida tridimensional del frente de onda
asociado a todo problema óptico en que la calidad de imagen sea
fundamental (p. ej. para diagnosticar), como con la necesidad de
obtener un mapa de profundidades suficientemente fiable y preciso
en un amplio rango de volúmenes, desde pocas micras hasta varios
kilómetros.
Aunque el planteamiento general puede ser
aplicado a otros campos, los análisis llevados a cabo están
centrados en telescopios de gran abertura y en medida de
profundidades en una escena.
La Óptica Adaptativa, para los presentes
telescopios de gran diámetro (GRANTECAN, Keck,...) y futuros
telescopios gigantes (50 ó 100 metros de diámetro), ha tomado el
rumbo de medir la distribución tridimensional de la fase
atmosférica utilizando una forma de tomografía llamada óptica
multiconjugada. La ausencia en el cielo de suficiente número de
fuentes puntuales naturales, tal que haya siempre alguna presente
dentro del campo de visión del objeto observado por el telescopio,
obliga a utilizar fuentes puntuales artificiales: estrellas de Na
(90 km. de altura).
Para poder corregir toda la atmósfera que afecta
al haz de luz proveniente del objeto en el cielo (evitando el
anisoplanatismo de foco) es necesario utilizar varias de estas
estrellas artificiales (al menos 5). Cada una de ellas, para ser
generada, necesita un láser de muy alta resolución, pulsado, y de
gran potencia, lo que se traduce en una tecnología enormemente
cara. Por otra parte, después de tanto coste, la óptica
multiconjugada sólo es capaz de medir la fase atmosférica asociada
a, como mucho, tres capas horizontales de turbulencia (con tres
sensores de fase midiendo simultáneamente), es decir, barre una
proporción diminuta del cilindro tridimensional que afecta a la
imagen. Y recuperan una estimación de la fase con cálculos tan
complicados que comprometen seriamente la corrección adaptativa del
haz óptico dentro del tiempo de estabilidad de la atmósfera en el
visible (10 ms).
La técnica que aquí se propone permitirá, sin
embargo:
- -
- Ceñirse a una sola medida y a un sólo sensor, dentro de cada tiempo de estabilidad atmosférico.
- -
- Una recuperación de la fase asociada a cada capa horizontal turbulenta, es decir, tomografía de toda la atmósfera, mediante un algoritmo basado en transformada de Fourier, ya de por sí rápido pero que puede ser acelerado con una adaptación inteligente del mismo a Unidades de Procesamiento Gráfico (GPU) o a unidades de hardware electrónico como son las FPGA (Field Programable Gate Arrays).
- -
- Evitar la necesidad de utilizar estrellas láser artificiales, pues va a recuperar en tiempo real la imagen del objeto a su llegada a la atmósfera terrestre, ya que esta nueva técnica no necesita de calibración con señal puntual para luego de convolucionar.
\vskip1.000000\baselineskip
El interés principal en realizar tomografía de
ojo humano estriba esencialmente en obtener y disponer, por parte
de los especialistas médicos, de una imagen nítida del fondo de
retina del paciente, para poder realizar los diagnósticos con mayor
fiabilidad. El humor acuoso, el humor vítreo y el cristalino, se
comportan en el ojo como medios que aberran la imagen que se puede
obtener del fondo de retina.
Efectivamente, no exige realizar medidas tan
frecuentemente como en la atmósfera terrestre (una cada 10 ms),
pues se trata de una deformación estable, sin embargo, sí que exige
suficiente resolución tridimensional para, no sólo obtener una buena
imagen de fondo de retina, sino también detectar la situación
espacial de posibles lesiones oculares.
Los pocos autores que, dentro los campos
citados, han colocado microlentes en el foco no utilizan la técnica
de "Slice" de Fourier ni para realizar la medida de la
aberración óptica, ni para corregir la imagen, ni para obtener
distancias. Por otro lado, la técnica de "Slice" de Fourier
asociada a microlentes en el foco sólo se ha utilizado para obtener
fotografías enfocadas de escenas reales en rangos de unos pocos
metros cúbicos de volumen, con calidad aparentemente superior a la
habitual técnica de profundidad de campo. En definitiva, estas
aportaciones de otros autores no tienen nada que ver con la patente
que aquí se presenta.
Una única matriz de microlentes, formando imagen
sobre un CCD de suficiente resolución, y colocada en la posición de
foco de una lente convergente permite realizar medidas tomográficas
del espacio tridimensional objeto.
Las medidas se realizan una sola vez, es decir,
una única imagen contiene la información suficiente para recuperar
el entorno tridimensional. Tal imagen puede ser entendida como
compuesta de 4 dimensiones: dos coordenadas sobre el CCD asociadas
al interior de cada microlente y otras dos coordenadas asociadas a
la matriz de microlentes.
La técnica propuesta está basada en el Teorema
Generalizado de "Slice" de Fourier. La imagen que toma nuestro
CCD es transformada de Fourier en cuatro dimensiones,
posteriormente se le aplica un operador de rotación y "slice"
que decide la profundidad a la que vamos a recuperar el objeto, y
que reduce el problema de 4 dimensiones a sólo 2. Nuestro objetivo
es averiguar las profundidades a que están los objetos, por ello,
trabajando en el dominio transformado e identificando los objetos
con el algoritmo de detección de bordes (altas frecuencias
espaciales), podemos identificar los componentes de la escena de los
que previamente conocemos a qué distancia están.
Por otra parte, un sensor de
Shack-Hartmann consiste en un conjunto de lentillas
colocadas en forma matricial para formar el mismo número de
imágenes en un detector bidimensional. El desplazamiento de cada
una de ellas respecto a la posición correspondiente a un frente de
onda plano mide el gradiente local del frente de onda. A través de
procedimientos numéricos es posible la recuperación del frente de
onda original. La cámara de fase propuesta contiene un
Shack-Hartmann en el foco de una lente convergente,
es por ello que nuestro diseño es también una cámara de fase de
frente de onda, pero colocada en el foco de una lente; con un
tratamiento de los datos completamente diferente al hasta ahora
asociado al sensor Shack-Hartmann. Es entonces
posible recuperar tanto profundidades como fases de frente de
onda.
Figura 1: Esquema de la disposición de la lente
de apertura (1), de las lentillas (2), y de la CCD (3) que forman
nuestra cámara de fase. (5) es la focal de la lente convergente. (6)
es la focal de cada microlente de la matriz de lentillas. (7) es el
ángulo de inclinación local del frente de onda. (4) es el
desplazamiento en camino óptico que sufre el frente de onda
turbulento respecto a otro sin aberrar.
Figura 2: Esquema conceptual de la invención
aplicada a un telescopio con un gran espejo principal (1).
Realización de tomografía de atmósfera en observación astrofísica de
una estrella (8) con óptica adaptativa. Las capas de turbulencia
individuales dentro de la atmósfera corresponden a (9) y (10). La
cámara de fase permite barrer el cilindro completo de turbulencia
atmosférica (13) que afecta a la imagen final del telescopio.
Figura 3: Esquema conceptual de una clásica
observación astrofísica de una estrella (8) que utilice óptica
adaptativa multiconjugada a dos capas de turbulencia en la atmósfera
(9) y (10). Sólo es capaz de recuperar un número muy pequeño de
capas de turbulencia individuales (tres capas a lo sumo). (11) y
(12) indican los sensores de frente de onda asociados conjugadamente
a cada capa turbulenta. (1) se corresponde con el telescopio.
Se considera el caso particular de una
observación astrofísica con un telescopio de diámetro superior al
diámetro de coherencia ro de la atmósfera (aproximadamente 20 cm. en
el visible). La turbulencia de la atmósfera provoca pérdida de
resolución en la imagen obtenida con el telescopio, es decir,
pérdida de la información de altas frecuencias espaciales. Para
evitarlo, debe conocerse la forma en que la turbulencia atmosférica
degrada el frente de onda de la luz proveniente de la estrella en
estudio. Para ello, puede usarse como referencia estrellas
puntuales naturales o artificiales que permitan caracterizar la
deformación que la atmósfera introduce en el frente de onda.
Con óptica adaptativa multiconjugada clásica
(Figura 3), un sensor de fase de frente de onda debe ser usado por
cada espejo deformable conjugado a una capa de turbulencia
individual, es decir dos sensores de fase (WFS) diferentes que
deben ser alineados y puestos en funcionamiento paralelamente y en
diferentes posiciones del eje óptico. La complejidad de los
cálculos y la necesidad de velocidad, pues la atmósfera cambia cada
10 milisegundos en el visible, hace actualmente imposible superar
la corrección a sólo tres capas de turbulencia atmosférica.
Con la cámara de fase del diseño mostrado en
Figura 1, y cuyo funcionamiento en este supuesto se muestra en
Figura 2, sólo un sensor es utilizado, colocado en una única
posición del eje óptico, y una sola medida, procesada
posteriormente mediante la técnica de Slice de Fourier, va a
permitir obtener el mapa tridimensional de turbulencias (fases de
frente de onda) asociado a toda la columna de atmósfera que afecta
a la observación con nuestro telescopio, así como la altura a la
que estas capas de turbulencia se encuentran.
Claims (5)
1. Cámara de fase para la obtención en tiempo
real del mapa tridimensional de un frente de onda y del mapa de
profundidades de una escena que comprende,
- una lente convergente,
- una matriz de micro lentes colocada en el foco de la lente convergente,
- un dispositivo CCD, y
- medios de procesamiento adaptados para
- -
- obtener el "focal stack" de la escena aplicando un algoritmo de "Slice" de Fourier, e
- -
- identificar los componentes para cada profundidad del "focal stack" de tal escena mediante un algoritmo de detección de bordes con Transformada Rápida de Fourier.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Cámara de fase para la obtención en tiempo
real del mapa tridimensional de un frente de onda y del mapa de
profundidades de una escena según reivindicación 1,
caracterizada porque los medios de procesamiento comprenden
una unidad GPU.
3. Cámara de fase para la obtención en tiempo
real del mapa tridimensional de un frente de onda y del mapa de
profundidades de una escena según reivindicación 1 ó 2,
caracterizada porque los medios de procesamiento comprenden
un dispositivo FPGA.
4. Procedimiento para la obtención en tiempo
real del mapa tridimensional de un frente de onda y el mapa de
profundidades de una escena, que comprende las siguientes
etapas:
- obtener una imagen de la escena con una cámara de fase según una de las reivindicaciones 1-3;
- obtener el "focal stack" del espacio tridimensional aplicando un algoritmo de "Slice" de Fourier; e
- identificar los componentes para cada profundidad del "focal stack" de tal escena mediante un algoritmo de detección de bordes con Transformada Rápida de Fourier.
\vskip1.000000\baselineskip
5. Procedimiento para la obtención en tiempo
real del mapa tridimensional de un frente de onda y el mapa de
profundidades de una escena, según reivindicación 4, aplicado a una
observación seleccionada del grupo de: una observación astronómica,
una observación oftalmológica, una observación de escenas reales,
una observación de pulido de una CCD y una observación de mecánica
de automóvil.
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