ES2330656T3 - Sistemas y procedimientos para modelar frentes de onda en luz policromatica usando elementos de desfase. - Google Patents
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Abstract
Un sistema (20; 20'') de remodelado activo de frentes de onda, comprendiendo dicho sistema un dispositivo (30; 30'') de desfase óptico dispuesto para actuar sobre luz (24) de entrada que presenta al menos dos longitudes de onda lambda 1 y lambda 2, formando dicha luz de entrada al menos un haz (24), presentando cada haz una pluralidad de subhaces (26a a 26d; 26a'' a 26b'') contiguos, estableciendo dichos subhaces un frente de onda (28) lambda1 y un frente de onda (28)lambda2 respectivamente, presentando dicho dispositivo de desfase al menos una agrupación (42a a 42c, 42'') de elementos, pudiendo ajustarse cada elemento de manera independiente para alterar de manera selectiva la longitud de trayectoria óptica de un subhaz respectivo para efectuar un primer remodelado de frente de onda de dicha luz de longitud de onda lambda1 y un segundo remodelado de frente de onda de dicha luz de longitud de onda lambda2, en el que dicho dispositivo de desfase está configurado para situar la luz de longitud de onda lambda1 remodelada y la luz de longitud de onda lambda2 remodelada sobre una trayectoria(34; 34'') de haces común, caracterizado porque dicho primer remodelado de frente de onda es diferente de dicho segundo remodelado de frente de onda.
Description
Sistemas y procedimientos para modelar frentes
de onda en luz policromática usando elementos de desfase.
La presente invención se refiere en general a
sistemas y procedimientos para el modelado de frentes de onda. Más
en particular, la presente invención se refiere a sistemas y
procedimientos para modelar frentes de onda que pueden incluir luz
que presenta varias longitudes de onda diferentes. La presente
invención es particularmente, pero no exclusivamente, útil para
crear un frente de onda policromático que presenta una forma de
frente de onda seleccionada.
El término "frente de onda" puede definirse
como una superficie imaginaria que une puntos de fase constante en
una onda que se propaga a través de un medio. Para ondas de luz, un
frente de onda puede concebirse como una superficie imaginaria
tridimensional de longitud de trayectoria óptica constante,
ortogonal a una familia de rayos que emanan desde una superficie de
radiación. En términos de forma, un frente de onda puede ser
esférico, plano o estar modelado de manera arbitraria. De hecho,
para una onda monocromática que se propaga desde una fuente de
puntos a través de un medio con un índice de refracción constante,
se emitirá un frente de onda de forma esférica desde la superficie.
Sin embargo, a largas distancias desde la superficie, el frente de
onda puede considerarse aproximadamente plano. Por otro lado,
sistemas ópticos imperfectos, fenómenos naturales (por ejemplo,
turbulencias atmosféricas) y otros muchos factores pueden dar lugar
a frentes de onda de forma irregular no uniformes. Por ejemplo, un
componente de un sistema óptico, tal como una lente que no esté bien
pulida, puede crear una aberración que distorsione un frente de
onda que en caso contrario sería uniforme (por ejemplo, plano).
Hasta la fecha, en lo que respecta a la luz
monocromática, se han desarrollado varios tipos de aparatos para
medir la forma de frentes de onda. Por ejemplo, procedimientos para
medir desviaciones de fase se han desvelado junto con dispositivos
como el denominado "sensor de Hartmann-Shack" y
en publicaciones como la patente estadounidense número 5.062.702
concedida a Bille para una invención titulada "Device for
Mapping Corneal Topography". Un interferómetro es otro tipo
común de aparato que puede usarse para medir la forma de un frente
de onda.
Además de para medir frentes de onda, se han
dado a conocer dispositivos y procedimientos para el remodelado de
frentes de onda. Por ejemplo, la patente estadounidense número
6.220.707 (en lo sucesivo la patente '707) concedida a Bille para
una invención titulada "Method for Programming an Active Mirror
to Mimic a Wavefront" desvela el uso de un espejo facetado
para remodelar un frente de onda. Aplicaciones específicas
desveladas en la patente '707 incluyen el remodelado de un frente
de onda distorsionado en un frente de onda sustancialmente plano, y
viceversa. Además, este remodelado puede llevarse a cabo para
frentes de onda distorsionados en los que la profundidad del frente
de onda tridimensional, medida en la dirección de la propagación de
la luz, supere una longitud de onda.
La patente '707 desvela en mayor detalle una
técnica de envoltura de fase (phase-wrapping)
en la que las salidas de un analizador de frentes de onda
Hartmann-Shack se procesan para determinar una
desviación total en desfase para cada uno de una pluralidad de
subhaces contiguos de un frente de onda. Estos desfases pueden
medirse con respecto a la fase de subhaces correspondientes de un
frente de onda de referencia, tal como un frente de onda plano.
Para una luz que presenta una longitud de onda \lambda, cada
"desviación total" medida incluye una componente de desfase
modular "n\lambda" (también denominada componente de desfase
modular "n2\pi") y una componente de desfase modular
"\lambda" (también denominada componente de desfase modular
2\pi). Después de medir la desviación de desfase total, el
desfase modular particular para cada subhaz se compensa restando
n\lambda, (n+1)\lambda o
(n-1)\lambda, etc., según sea apropiado,
del desfase total de cada subhaz. Después, cada elemento del espejo
facetado se ajusta para minimizar la desviación de desfase modular
\lambda de cada subhaz respectivo para transformar de manera
eficaz un haz de luz entre un frente de onda distorsionado y un
frente de onda plano.
Aunque los avances descritos anteriormente han
sido satisfactorios para medir y modificar los frentes de onda de
luz monocromática, muchas aplicaciones requieren el uso de luz
policromática. Para estas aplicaciones puede ser deseable controlar
y modificar frentes de onda de un flujo de luz policromática. Una
aplicación de este tipo, a modo de ejemplo, es la corrección de
aberraciones creadas por un sistema óptico durante la generación de
imágenes de un objeto de múltiples colores. Otra aplicación a modo
de ejemplo incluye la creación de un flujo de luz policromática que
presenta formas de frente de onda controladas que se utilizan para
probar la influencia de las aberraciones ópticas en la visión
humana.
El documento
EP-A-1 199 026, en el cual se basa
el preámbulo de la reivindicación 1, desvela un sistema para el
modelado activo de frentes de onda que comprende una fuente para
generar de manera secuencial un primer haz de luz que presenta una
primera longitud de onda \lambda1, y un segundo haz de luz que
presenta una segunda longitud de onda \lambda2, presentando cada
haz una pluralidad de subhaces contiguos, estableciendo dichos
subhaces un frente de onda \lambda1 y un frente de onda
\lambda2, y un espejo activo.
Por consiguiente, en vista de lo anterior, es un
objeto de la presente invención proporcionar un sistema y un
procedimiento para remodelar los frentes de onda de un flujo de luz
que contiene luz de varias longitudes de onda diferentes. Otro
objeto de la presente invención es proporcionar sistemas y
procedimientos para remodelar frentes de onda de luz policromática
que presenten una profundidad de frente de onda tridimensional,
medida en la dirección de la propagación de la luz, que supere una
longitud de onda. Todavía otro objeto de la presente invención es
proporcionar sistemas y procedimientos para modelar frentes de onda
policromáticos usando elementos de desfase que sean fáciles de
usar, relativamente fáciles de fabricar y comparativamente
económicos.
La presente invención está dirigida a sistemas y
procedimientos para remodelar de manera activa frentes de onda de
una fuente de luz de entrada que presenta al menos dos longitudes de
onda (\lambda_{1}, \lambda_{2}) diferentes. Para los fines
de esta descripción, la luz de entrada puede describirse en términos
de uno o más haces de luz, estando formado cada haz por una
pluralidad de subhaces contiguos. Estos subhaces establecen un
frente de onda para la luz \lambda_{1} (es decir, un frente de
onda \lambda_{1}) y un frente de onda para la luz
\lambda_{2} (es decir, un frente de onda \lambda_{2}).
La luz de entrada se recibe por un dispositivo
de desfase óptico que puede incluir una o más agrupaciones,
presentando cada agrupación una pluralidad de elementos.
Funcionalmente, en una agrupación particular, cada elemento puede
ajustarse de manera independiente para alterar de manera selectiva
la longitud de trayectoria óptica de un subhaz correspondiente. Por
lo tanto, la agrupación puede programarse para remodelar de manera
selectiva un frente de onda. Más específicamente, una vez programada
en una configuración seleccionada, la agrupación de elementos
funciona para recibir un haz entrante que presenta un primer frente
de onda inicial, y para procesar el haz para crear un haz de salida
que presenta un segundo frente de onda modificado.
Para la presente invención, la agrupación de
elementos puede ser, pero no está necesariamente limitada a, un
espejo activo facetado, una agrupación de cristales líquidos o un
espejo de lámina metálica que presenta una agrupación de
accionadores que pueden hacerse funcionar de manera independiente
para deformar de manera selectiva la superficie del espejo de
lámina metálica. En una realización típica se usa un espejo activo
que presenta aproximadamente cuarenta mil facetas individuales,
pudiendo moverse cada faceta de manera independiente a lo largo de
una trayectoria respectiva sustancialmente paralela.
Para una luz origen que presenta dos longitudes
de onda (\lambda_{1}, \lambda_{2}), se usa una primera
configuración de agrupación para remodelar la forma de onda de
longitud de onda \lambda_{1} inicial y se usa una segunda
configuración de agrupación para remodelar la forma de onda de
longitud de onda \lambda_{2} inicial. Tal y como se describirá
posteriormente en mayor detalle, para la presente invención, la
primera y la segunda configuración de agrupación puede obtenerse
usando una única agrupación de elementos o dos agrupaciones
diferentes. En cualquier caso, una vez que se hayan remodelado los
frentes de onda, tanto la luz de longitud de onda \lambda1 como
la luz de longitud de onda \lambda2 se dirigen sobre una
trayectoria de haces común. Una vez en la trayectoria de haces
común, la luz puede verse, representarse mediante imágenes o
procesarse adicionalmente.
En una realización particular de la presente
invención, la luz de entrada incluye impulsos alternantes de la luz
de longitud de onda \lambda_{1} y de la luz de longitud de onda
\lambda_{2}. Para esta realización, puede usarse una única
agrupación común de elementos para remodelar la luz de múltiples
longitudes de onda. Específicamente, los movimientos de los
elementos de agrupación individuales pueden sincronizarse con la
fuente de luz de entrada alternante para remodelar de manera
secuencial y selectiva los frentes de onda \lambda_{1} y
\lambda_{2} pulsados.
En otra realización de la presente invención, la
luz de entrada incluye simultáneamente la luz de longitud de onda
\lambda_{1} y la luz de longitud de onda \lambda_{2}. Para
esta realización, la luz de entrada se divide (espacialmente) para
dirigir la luz de longitud de onda \lambda_{1} sobre una primera
trayectoria de haces y para dirigir la luz de longitud de onda
\lambda_{2} sobre una segunda trayectoria de haces. Una vez
separada, una primera agrupación de elementos se utiliza para
remodelar el frente de onda de longitud de onda \lambda_{1} y
una segunda agrupación de elementos se utiliza para remodelar el
frente de onda de longitud de onda \lambda_{2}. Después del
remodelado del frente de onda, los haces de salida de las
agrupaciones se recombinan sobre una trayectoria de haces común.
Para algunas aplicaciones del sistema, puede
proporcionarse un sensor de frente de onda, tal como un sensor de
Hartmann-Shack, para medir el frente de onda
\lambda_{1}, el frente de onda \lambda_{2}, o ambos. Esta
medición puede llevarse a cabo en luz que se propaga hacia una
agrupación, en luz que se propaga alejándose de una agrupación, o
en ambas. Después, la salida del sensor se utiliza para programar la
agrupación para realizar un remodelado de frente de onda
seleccionado.
En una implementación del sistema, el sensor se
utiliza para medir una desviación total en desfase para cada uno de
los subhaces del frente de onda. Estos desfases se miden con
respecto a la fase de subhaces individuales correspondientes de un
frente de onda de referencia, tal como un frente de onda plano. Cada
"desviación total" medida incluye una componente de desfase
modular "n\lambda" y una componente de desfase modular
"\lambda" para luz que presente una longitud de onda
\lambda.
Una vez que se haya determinado el desfase total
para cada subhaz del frente de onda medido, la agrupación de
elementos se divide en regiones. Específicamente, una región se
identifica con un entero "n" donde todos los subhaces que
inciden en elementos de la región "n" presentan un mismo
desfase modular. A continuación, se detectan facetas limítrofes de
manera que todas las facetas limítrofes presenten un desfase modular
(n+1)\lambda con una desviación de desfase modular
\lambda de cero. Después se identifica una región "n+1" que
sea adyacente a las facetas limítrofes, pero fuera de la región
"n". De manera similar, pueden detectarse otras facetas
limítrofes que presenten un desfase modular
(n-1)\lambda con una desviación de desfase
modular \lambda de cero. Si esto es así, se identifica una región
"n-1". De manera similar, pueden identificarse
regiones "n+2" y "n+3", etc., así como regiones
"n-2" y "n-3", etc.
El desfase modular particular para cada región
se compensa restando n\lambda, (n+1)\lambda o
(n-1)\lambda, etc., según sea apropiado,
del desfase total de cada subhaz dentro de la región. De esta manera
se determinan las desviaciones de desfase modular \lambda para
cada subhaz del frente de onda. Por lo tanto, si la aplicación lo
determina, cada elemento puede ajustarse para minimizar la
desviación de desfase modular \lambda de cada subhaz respectivo.
De manera colectiva, cuando esta compensación se realiza para todos
los elementos, la agrupación activa puede transformar de manera
eficaz un haz de luz entre un frente de onda distorsionado y un
frente de onda plano.
Las características novedosas de esta invención,
así como la propia invención, en lo que se refiere tanto a su
estructura como a su funcionamiento, se entenderán mejor a partir de
los dibujos adjuntos, tomados junto con la descripción adjunta, en
los que los caracteres de referencia similares se refieren a partes
similares, y en los que:
la fig. 1 es una vista esquemática de los
principales componentes de un sistema para remodelar frentes de onda
de luz policromática;
la fig. 2 es una vista esquemática detallada del
sistema mostrado en la fig. 1;
la fig. 3 es una vista delantera de una
agrupación vista en la dirección de la flecha 3-3 de
la fig. 2;
la fig. 4 es una vista esquemática que muestra
el remodelado de un frente de onda que presenta una profundidad de
frente de onda, medida en la dirección de la propagación de la luz,
que supera una longitud de onda;
la fig. 5 es una vista esquemática de los
principales componentes de otra realización de un sistema para
remodelar frentes de onda de luz policromática;
la fig. 6 es una vista esquemática detallada del
sistema mostrado en la fig. 5;
la fig. 7 es una vista delantera de una fuente
de luz que presenta una rueda de filtros que se utiliza en la
realización mostrada en las figs. 5 y 6;
la fig. 8 es una vista en sección transversal de
una rueda de filtros vista a lo largo de la línea
8-8 de la fig. 7.
Haciendo referencia a la fig. 1 se muestra un
sistema de remodelado de frentes de onda designado de manera
genérica como 20. Tal y como se muestra de manera genérica en la
fig. 1, el sistema 20 incluye una fuente 22 para generar un haz 24
de luz que presenta tres longitudes de onda (\lambda_{1},
\lambda_{2}, \lambda_{3}) diferentes. Aunque se muestran y
se describen tres longitudes de onda, debe apreciarse que el sistema
20 puede remodelar luz que presente más de tres y al menos dos
longitudes de onda. Además, el sistema 20 no está limitado a luz
dentro del espectro visible. La fig. 1 ilustra además que el haz 24
puede describirse de manera conveniente como formado por una
pluralidad de subhaces contiguos, de los cuales se muestran y están
etiquetados a modo de ejemplo los subhaces 26a a 26d. Estos
subhaces establecen simultáneamente frentes de onda 28
\lambda_{1}, \lambda_{2}, \lambda_{3} iniciales en el
haz 24.
Desde la fuente 22, el haz 24 de luz se hace
incidir sobre un dispositivo 30 de desfase óptico. Para el sistema
20, el dispositivo 30 de desfase óptico puede programarse para
remodelar de manera independiente los frentes de onda 28
\lambda_{1}, \lambda_{2}, \lambda_{3} para generar
frentes de onda 32 \lambda_{1}, \lambda_{2},
\lambda_{3} modificados. Una vez modificados, los frentes de
onda 32 \lambda_{1}, \lambda_{2}, \lambda_{3} salen del
dispositivo 30 de desfase óptico a lo largo de una trayectoria 34
de haces común. La fig. 1 muestra además que un detector 36 puede
situarse en la trayectoria 34 de haces para permitir que los
frentes de onda 32 modificados que salen del dispositivo 30 puedan
verse, representarse mediante imágenes o procesarse de manera
adicional.
La figura 2 muestra el sistema 20 en mayor
detalle, incluyendo los componentes individuales del dispositivo 30
de desfase óptico. Tal y como se muestra, una fuente 22 genera un
haz 24 de luz continuo que incluye simultáneamente tres longitudes
de onda (\lambda_{1}, \lambda_{2}, \lambda_{3})
diferentes. Aunque se utilizan diferentes rayos para ilustrar las
tres longitudes de onda diferentes que salen de la fuente 22 en la
fig. 2, debe apreciarse que todo el haz 24 continuo, cuando
abandona la fuente 22, incluye tres longitudes de onda
(\lambda_{1}, \lambda_{2}, \lambda_{3}) diferentes. A
modo de ejemplo, la fuente 22 puede ser un objeto multicolor
iluminado con luz natural para incluir luz blanca, luz artificial o
luz que se ha generado o filtrado especialmente para incluir
solamente las tres longitudes de onda (\lambda_{1},
\lambda_{2}, \lambda_{3}) deseadas. En una implementación,
las tres longitudes de onda (\lambda_{1}, \lambda_{2},
\lambda_{3}) deseadas corresponden a un conjunto de tres colores
primarios. Tal y como se utiliza en este documento, el término
"colores primarios" se refiere a cualquier conjunto de tres o
más colores que cuando se añaden en una combinación apropiada darán
blanco. Por ejemplo, \lambda_{1} puede ser luz azul en el
intervalo de longitud de onda de 435 a 480 nm, \lambda_{2} puede
ser luz roja en el intervalo de longitud de onda de 605 a 750 nm, y
\lambda_{3} puede ser luz verde en el intervalo de longitud de
onda de 500 a 560 nm. En algunas aplicaciones del sistema 20 se usa
la luz del espacio RGB "tradicional", (es decir, rojo a 700
nm, verde a 546,1 nm y azul a 435,8 nm). Para otras aplicaciones,
puede ser preferible usar longitudes de onda sensibles al ojo.
Específicamente, los receptores (conos) del ojo humano que son
responsables de la visión a color son más sensibles en las
siguientes regiones de longitud de onda: 550 a 580 nm
(amarillo-verde), 520 a 540 nm (verde), y 415 a 450
nm (azul).
La fig. 2 muestra que desde la fuente 22, el haz
24 incide en primer lugar en un separador 38a que dirige a la luz
de longitud de onda \lambda_{1} sobre una trayectoria 40a de
haces y hacia una agrupación 42a. Tal y como se muestra, el resto
de la luz del separador 38a, incluyendo luz que presenta longitudes
de onda \lambda_{2} y \lambda_{3}, se dirige a lo largo de
una trayectoria 44 hacia el separador 38b. En el separador 38b, la
luz que presenta una longitud de onda \lambda_{2} se dirige
sobre una trayectoria 40b de haces hacia una agrupación 42b. El
resto de la luz del separador 38b, incluyendo luz que presenta una
longitud de onda \lambda_{3}, se dirige a lo largo de una
trayectoria 46 hacia el separador 38c. En el separador 38c, la luz
que presenta una longitud de onda \lambda_{3} se dirige sobre
una trayectoria 4c de haces hacia una agrupación
42c.
42c.
Puede observarse además en la fig. 2 que una
parte de la luz de longitud de onda \lambda_{1} que se desplaza
hacia la agrupación 42a sobre la trayectoria 40a se dirige hacia un
sensor 48a de frentes de onda. De manera más o menos similar, una
parte de la luz de longitud de onda \lambda_{2} que se desplaza
hacia la agrupación 42b sobre la trayectoria 40b se dirige hacia un
sensor 48b de frentes de onda y una parte de la luz de longitud de
onda \lambda_{3} que se desplaza hacia la agrupación 42c sobre
la trayectoria 40c se dirige hacia un sensor 48c de frentes de
onda. Cada sensor 48a a 48c de frentes de onda puede ser, por
ejemplo, un sensor de Hartmann-Shack o algún otro
dispositivo adecuado conocido en la técnica pertinente para medir un
frente de onda.
La figura 2 muestra además que el sistema 20
incluye un procesador 50 que está conectado en comunicación
electrónica con una unidad 52 de control a través de un cable 54.
Para el sistema 20, cada sensor 48a a 48c de frentes de onda está
conectado al procesador 50 a través de un cable 56. Puede observarse
además que la unidad 52 de control está conectada a cada agrupación
42a a 42c a través de cables 58a a 58c, respectivamente. Con esta
cooperación de estructura, la salida de un sensor 48a a 48c puede
usarse para programar una agrupación 42a a 42c respectiva para
realizar de manera individual un remodelado de frente de onda
seleccionado para la luz en cada una de las respectivas
trayectorias 40a a 40c de haces.
En mayor detalle y como puede apreciarse mejor
con referencia cruzada a las figs. 2 y 3, cada agrupación 42a a 42c
incluye una pluralidad de elementos 60 de los cuales se han
etiquetado los elementos 60a a 60c a modo de ejemplo. De manera
funcional, en una agrupación 42a a 42c particular, cada elemento 60
puede ajustarse de manera independiente para alterar de manera
selectiva la longitud de trayectoria óptica de un subhaz 26
correspondiente (véase la fig. 1). Por tanto, cada agrupación 42a a
42c puede programarse para remodelar de manera selectiva un frente
de onda. Para el sistema 20, cada agrupación 42 puede ser, pero no
está necesariamente limitada a, un espejo activo facetado, un
espejo de lámina metálica que presenta una agrupación de elementos
accionadores que pueden hacerse funcionar de manera independiente
para deformar de manera selectiva la superficie del espejo de
lámina metálica, o una agrupación de cristales líquidos. Por tanto,
cada agrupación 42, dependiendo de su configuración particular,
puede funcionar mediante reflexión o transmisión para remodelar un
frente de onda.
En una realización típica se usa un espejo
activo que presenta aproximadamente cuarenta mil elementos 60 de
faceta individuales, pudiendo moverse cada elemento 60 de faceta de
manera independiente a lo largo de una respectiva trayectoria
sustancialmente paralela. Una descripción más detallada de un espejo
facetado activo puede encontrarse en la patente estadounidense
número 6.220.707. De manera funcional, tal y como se muestra en la
fig. 2, una vez programada en una configuración seleccionada, cada
agrupación 42a a 42c funciona para recibir un haz entrante
respectivo que presenta un primer frente de onda 62a a 62c inicial,
y procesa el haz para crear un haz de salida respectivo que
presenta un segundo frente de onda 64a a 64c modificado. La fig. 2
muestra que después del remodelado, los frentes de onda 64a a 64c
modificados se dirigen sobre una trayectoria 34 de haces común
mediante espejos 66a a 66c respectivos para su recepción por parte
de un detector 36, que en este caso es un ojo humano.
Las aplicaciones de la realización particular
mostrada en la fig. 2 pueden incluir, pero no están limitadas a, la
mejora de las características y la calidad ópticas de prismáticos,
microscopios, endoscopios y otros equipos de representación de
imágenes. Como alternativa, el sistema 20 mostrado en la fig. 2
puede usarse para generar luz policromática habiendo seleccionado
previamente características de frente de onda. En este caso, en
lugar de un objeto iluminado se utiliza normalmente una fuente 22
que consiste en uno o más emisores de luz de alta calidad (que
pueden ser monocromáticos o policromáticos). Con respecto a la
realización mostrada en la fig. 2, debe apreciarse que los sensores
48a a 48c de frentes de onda pueden colocarse de manera selectiva
para medir los frentes de onda 62a a 62c iniciales, los frentes de
onda 64a a 64c modificados, o ambos. En todos estos casos, las
salidas del sensor pueden usarse para programar las agrupaciones 42a
a 42c para obtener frentes de onda 64a a 64c modificados que
presenten formas preseleccionadas. En algunas aplicaciones del
sistema 20, la forma de los frentes de onda de la fuente puede
conocerse, o puede predecirse o calcularse. En estas aplicaciones,
puede no ser necesario usar un dispositivo de medición de frentes de
onda (por ejemplo, un sensor de Hartmann-Shack)
para modificar y generar una forma de frente de onda
preseleccionada.
Para el sistema 20, las agrupaciones 42a a 42c
pueden usarse para remodelar los frentes de onda 62a a 62c
monocromáticos iniciales en los que la profundidad del frente de
onda tridimensional, medida en la dirección de la propagación de la
luz, supera una longitud de onda. Esta técnica que se utiliza con
luz monocromática está totalmente descrita y reivindicada en la
patente estadounidense de propiedad conjunta número 6.220.707. En
particular, la patente '707 muestra y describe una operación
informática para procesar las salidas de un analizador de frentes
de onda Hartmann-Shack para determinar una
desviación total en desfase para cada uno de una pluralidad de
subhaces contiguos de un frente de onda. En una instancia, estos
desfases totales pueden medirse con respecto a la fase de subhaces
correspondientes de un frente de onda de referencia, tal como un
frente de onda plano.
La fig. 4 ilustra una técnica de envoltura de
fase que se utiliza junto con un espejo 68 activo que presenta una
pluralidad de facetas 70 de las cuales se han etiquetado las facetas
70a a 70c a modo de ejemplo. Específicamente, la fig. 4 muestra un
frente de onda 72 monocromático convergente que presenta una
longitud de onda \lambda que incide sobre las facetas 70 del
espejo 68 activo. Tal y como se muestra, cada faceta 70 puede
moverse de manera independiente a través de una distancia
\lambda/2 a lo largo de una trayectoria respectiva sustancialmente
paralela. Puede observarse además que el frente de onda 72
convergente presenta una profundidad de frente de onda, medida en
la dirección de la propagación de la luz, que supera una longitud de
onda \lambda. También puede observarse que después de la
interacción con las facetas 70 del espejo 68 se genera un frente de
onda 74 sustancialmente plano y se propaga alejándose del espejo 68
activo.
Para obtener el remodelado mostrado en la fig.
4, un ordenador procesa las salidas de un analizador de frentes de
onda Hartmann-Shack para determinar una desviación
total en desfase para cada uno de una pluralidad de subhaces
contiguos de un frente de onda. Para este fin, la forma de frente de
onda deseada, después del remodelado, puede usarse como un frente
de onda de referencia para medir la "desviación total". Para la
luz que presenta una longitud de onda \lambda, cada "desviación
total" medida incluye una componente de desfase modular
"n\lambda" y una componente de desfase modular
"\lambda". Después de medir la desviación de desfase total,
el desfase modular particular para cada subhaz se compensa restando
n\lambda, (n+1)\lambda o
(n-1)\lambda, etc., según sea apropiado,
del desfase total de cada subhaz. Cada elemento de la agrupación
activa puede ajustarse para minimizar la desviación de desfase
modular \lambda de cada subhaz respectivo para transformar de
manera eficaz un haz de luz, tal como el frente de onda 72
convergente para un frente de onda plano, tal como el frente de
onda 74 remodelado.
Haciendo referencia ahora a la fig. 5, se
muestra otra realización de un sistema de remodelado de frentes de
onda designado de manera genérica como 20'. Para el sistema 20', la
fuente 22' está configurada para emitir secuencialmente impulsos de
luz que alternan en longitud de onda de impulso a impulso (por
ejemplo \lambda_{1}, \lambda_{2}, \lambda_{3},
\lambda_{1}, \lambda_{2}, \lambda_{3} ...
\lambda_{1}, \lambda_{2}, \lambda_{3} ...) tal y como
se muestra. Por comodidad, cada impulso puede describirse como
formado por una pluralidad de subhaces contiguos de los cuales se
muestran y están etiquetados los subhaces 26a' y 26b' a modo de
ejemplo. Estos subhaces establecen un tren periódico de frentes de
onda \lambda_{1}, \lambda_{2}, \lambda_{3} iniciales
que se hacen incidir sobre un dispositivo 30' de desfase óptico.
Para el sistema 20', el dispositivo 30' de
desfase óptico está sincronizado con la fuente 22' y puede
programarse para remodelar de manera secuencial e independiente los
frentes de onda \lambda_{1}, \lambda_{2}, \lambda_{3}
iniciales. Tal y como se muestra además en la fig. 5, los impulsos
salen del dispositivo 30' de desfase óptico a lo largo de una
trayectoria 34' de haces común y presentan frentes de onda
\lambda_{1}, \lambda_{2}, \lambda_{3} modificados. La
fig. 5 también muestra que un detector 36' puede situarse en la
trayectoria 34' de haces para permitir ver, representar mediante
imágenes o procesar adicionalmente los frentes de onda modificados
que salen del dispositivo 30'.
La fig. 6 muestra el sistema 20' en mayor
detalle, incluyendo los componentes individuales de la fuente 22' y
del dispositivo 30' de desfase óptico. Tal y como se muestra, una
fuente 22' incluye un objeto 76 (que puede tener o no múltiples
colores) que está iluminado por tres emisores 78a a 78c de luz (es
decir, bombillas), generando cada emisor 78a a 78c una longitud de
onda (\lambda_{1}, \lambda_{2}, \lambda_{3}) de luz
diferente. En una implementación, las tres longitudes de onda
(\lambda_{1}, \lambda_{2}, \lambda_{3}) deseadas
corresponden a un conjunto de tres colores primarios. Por ejemplo,
\lambda_{1} puede ser luz azul en el intervalo de longitud de
onda de 435 a 480 nm, \lambda_{2} puede ser luz roja en el
intervalo de longitud de onda de 605 a 750 nm, y \lambda_{3}
puede ser luz verde en el intervalo de longitud de onda de 500 a
560 nm. En algunas aplicaciones del sistema 20', se usa la luz del
espacio RGB "tradicional", (es decir, rojo a 700 nm, verde a
546,1 nm y azul a 435,8 nm). Para otras aplicaciones, puede ser
preferible usar longitudes de onda sensibles al ojo.
Específicamente, los receptores (conos) del ojo humano que son
responsables de la visión a color son más sensibles en las
siguientes regiones de longitud de onda: 550 a 580 nm
(amarillo-verde), 520 a 540 nm (verde), y 415 a 450
nm (azul). Las intensidades de los emisores 78a a 78c pueden
ajustarse de manera independiente, si se desea, para generar luz
que presente un color compuesto preseleccionado. Tal y como se
muestra, cada emisor 78a a 78c está conectado a la unidad 52' de
control que está programada para activar secuencialmente a los tres
emisores 78a a 78c para generar el haz de luz que varía en el tiempo
descrito anteriormente.
Las figs. 7 y 8 muestran una disposición
alternativa de una fuente (designada como fuente 22'') para su
utilización en el sistema 20'. Tal y como se muestra, un emisor 80
policromático (por ejemplo, de luz blanca) dirige un haz de luz
policromática a través de una rueda 82 de filtros y sobre una
trayectoria 34'' de haces. La rueda 82 de filtros incluye filtros
84a a 84c que están distribuidos de manera acimutal tal y como se
muestra en la fig. 8. Para la fuente 22'', por cada filtro 84a a
84c pasa una longitud de onda \lambda_{1}, \lambda_{2},
\lambda_{3} de luz respectiva. Un motor 86 está acoplado a la
rueda 82 de filtros para hacer girar a la rueda 82 de filtros en el
sentido de la flecha 88. Con esta cooperación de estructura, la
interacción concertada del emisor 80 y de la rueda 82 de filtros
giratoria genera una secuencia de impulsos de luz que se alternan
en longitud de onda (\lambda_{1}, \lambda_{2},
\lambda_{3} ... \lambda_{1}, \lambda_{2},
\lambda_{3} ...).
Haciendo de nuevo referencia a la fig. 6, puede
observarse que una parte de cada impulso que se propaga alejándose
de la fuente 22' (o alternativamente de la fuente 22'') se dirige
hacia un sensor 48' de frentes de onda que puede ser, por ejemplo,
un sensor de Hartmann-Shack o algún otro dispositivo
adecuado conocido en la técnica pertinente para medir un frente de
onda. La fig. 6 muestra además que el sistema 20' incluye un
procesador 50' que está conectado en comunicación electrónica con
una unidad 52' de control y el sensor 48' de frentes de onda. Puede
observarse además que la unidad 52' de control está conectada a la
agrupación 42'. El procesador 50' y la unidad 52' de control están
sincronizados con los emisores 78a a 78c alternantes (o con la rueda
82 de filtros cuando se utiliza la fuente 20''). Con esta
cooperación de estructura, la salida del sensor 48' puede usarse
para programar la agrupación 42' para efectuar secuencialmente un
remodelado de frentes de onda seleccionado, impulso a impulso, para
un patrón de impulsos generado por la fuente 22' o 22''. Después del
remodelado, los frentes de onda modificados se dirigen hacia un
detector 36', que en este caso es un ojo humano. Para algunos tipos
de detectores 36' debe mantenerse una frecuencia mínima de
repetición de impulsos. Por ejemplo, para la visión del ojo humano,
cada longitud de onda debe pulsarse a más de cincuenta hercios y
preferentemente a más de sesenta hercios. Para tres longitudes de
onda, el estado de la agrupación 42' cambiaría entonces con una
longitud de onda de ciento ochenta hercios o superior.
Aplicaciones de la realización particular
mostrada en la fig. 2 pueden incluir, pero no están limitadas a, la
mejora de las características y la calidad ópticas de prismáticos,
microscopios, endoscopios y otros equipos de representación de
imágenes. Como alternativa, el sistema 20 mostrado en la fig. 2
puede usarse para generar luz policromática que presente
características de frente de onda preseleccionadas. Con respecto a
la realización mostrada en la fig. 6, debe apreciarse que el sensor
48' de frentes de onda puede situarse de manera selectiva para
medir un frente de onda antes de la agrupación 42', después de la
agrupación 42', o en ambos casos. En todos estos casos, las salidas
del sensor pueden usarse para programar las agrupaciones 42' para
obtener frentes de onda modificados que presenten formas
preseleccionadas. En algunas aplicaciones del sistema 20' la forma
de los frentes de onda origen puede conocerse, o puede predecirse o
calcularse. En estas aplicaciones, puede no ser necesario usar un
dispositivo de medición de frentes de onda (por ejemplo, un sensor
de Hartmann-Shack) para modificar y generar una
forma de onda de frente de onda preseleccionada. Al igual que el
sistema 20 descrito anteriormente, la agrupación 42' para el
sistema 20' puede usarse para remodelar frentes de onda iniciales
en los que la profundidad del frente de onda tridimensional, medida
en la dirección de la propagación de la luz, supere una longitud de
onda.
Aunque los sistemas y procedimientos
particulares para el modelado de frentes de onda en luz
policromática mostrados y descritos en detalle en este documento
están totalmente capacitados para conseguir los objetos y
proporcionar las ventajas indicadas anteriormente en este documento,
debe entenderse que son meramente ilustrativos de las realizaciones
actualmente preferidas de la invención y que no se aplica ninguna
limitación a los detalles de construcción o de diseño mostrados en
este documento salvo las descritas en las reivindicaciones
adjuntas.
Claims (16)
-
\global\parskip0.950000\baselineskip
1. Un sistema (20; 20') de remodelado activo de frentes de onda, comprendiendo dicho sistema un dispositivo (30; 30') de desfase óptico dispuesto para actuar sobre luz (24) de entrada que presenta al menos dos longitudes de onda \lambda_{1} y \lambda_{2}, formando dicha luz de entrada al menos un haz (24), presentando cada haz una pluralidad de subhaces (26a a 26d; 26a' a 26b') contiguos, estableciendo dichos subhaces un frente de onda (28) \lambda_{1} y un frente de onda (28) \lambda_{2} respectivamente, presentando dicho dispositivo de desfase al menos una agrupación (42a a 42c, 42') de elementos, pudiendo ajustarse cada elemento de manera independiente para alterar de manera selectiva la longitud de trayectoria óptica de un subhaz respectivo para efectuar un primer remodelado de frente de onda de dicha luz de longitud de onda \lambda_{1} y un segundo remodelado de frente de onda de dicha luz de longitud de onda \lambda_{2}, en el que dicho dispositivo de desfase está configurado para situar la luz de longitud de onda \lambda_{1} remodelada y la luz de longitud de onda \lambda_{2} remodelada sobre una trayectoria(34; 34') de haces común,caracterizado porque dicho primer remodelado de frente de onda es diferente de dicho segundo remodelado de frente de onda. - 2. Un sistema (20; 20') según la reivindicación 1, en el que \lambda_{1} es luz azul en el intervalo de longitud de onda de 435 a 480 nm, \lambda_{2} es luz roja en el intervalo de longitud de onda de 605 a 750 nm, y dicha luz de entrada presenta luz de longitud de onda \lambda_{3},_{ }donde \lambda_{3} es luz verde en el intervalo de longitud de onda de 500 a 560 nm.
- 3. Un sistema (20') según la reivindicación 1, en el que dicha luz de entrada incluye impulsos secuenciales de dicha luz de longitud de onda \lambda_{1} y de dicha luz de longitud de onda \lambda_{2}, en el que preferentemente dicho dispositivo de desfase óptico presenta una única agrupación (42') común de elementos para remodelar secuencialmente el frente de onda de dicha luz de longitud de onda \lambda_{1} y para remodelar el frente de onda de dicha luz de longitud de onda \lambda_{2}.
- 4. Un sistema (20; 20') según la reivindicación 1, en el que dicha luz de entrada es un único haz de luz, incluyendo simultáneamente dicho haz luz de longitud de onda \lambda_{1} y luz de longitud de onda \lambda_{2} y dicho sistema incluye un separador (38a a 38c; 82) para separar dicha luz de longitud de onda \lambda_{1} de dicha luz de longitud de onda \lambda_{2,} en el que preferentemente dicho separador es una rueda (82) de filtros.
- 5. Un sistema (20; 20') según la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo (30; 30') de desfase óptico presenta una primera agrupación (42a a 42c; 42') de elementos para remodelar dicha luz de longitud de onda \lambda_{1} y una segunda agrupación de elementos para remodelar dicha luz de longitud de onda \lambda_{2}.
- 6. Un sistema (20; 20') según la reivindicación 1, que comprende además un detector (36; 36') situado en la trayectoria de haces común para recibir la luz de longitud de onda \lambda_{1} y la luz de longitud de onda \lambda_{2} y en el que dicho detector (36; 36') se selecciona a partir del grupo de detectores que consiste en ojo, una cámara y un dispositivo de visualización, oque comprende además un sensor (48a a 48c; 48') de frentes de onda para medir un frente de onda \lambda_{1} para generar una salida de sensor, utilizándose dicha salida de sensor para programar dicho dispositivo de desfase óptico para efectuar un remodelado de frente de onda de dicha luz de longitud de onda \lambda_{1}, en el que dicho sensor es preferentemente un sensor de Hartmann-Shack.
- 7. Un sistema (20) según la reivindicación 1, en el que dicha agrupación (42a a 42c) de elementos es un espejo (68) activo que presenta una pluralidad de facetas (70) individuales, pudiendo moverse cada faceta de manera independiente a lo largo de una trayectoria respectiva sustancialmente paralela, oen el que dicho dispositivo incluye un espejo de lámina metálica, y dicha agrupación de elementos es una pluralidad de accionadores para deformar de manera selectiva dicho espejo de lámina metálica, oen el que dicha agrupación de elementos es una agrupación de cristales líquidos.
- 8. Un sistema (20; 20') según la reivindicación 1, comprendiendo además dicho sistema:una fuente (22; 22') para generar dicha luz de entrada, dispuesta para generar de manera secuencial un primer haz de luz que presenta dicha primera longitud de onda \lambda_{1} y un segundo haz de luz que presenta dicha segunda longitud de onda \lambda_{2}, yun controlador dispuesto para configurar de manera secuencial dicha agrupación (42a a 42c; 42') de elementos para remodelar el frente de onda \lambda_{1} y el frente de onda \lambda_{2}.
- 9. Un sistema (20; 20') según la reivindicación 8, en el que dicha fuente (22; 22') está dispuesta para emitir impulsos de luz de longitud de onda \lambda_{1} a una frecuencia de impulsos superior a 50 hercios, oen el que dicha fuente (22; 22') comprende medios para emitir simultáneamente luz que presenta longitudes de onda \lambda_{1} y_{ }\lambda_{2} y un separador para separar temporalmente dicha luz emitida en impulsos de luz de longitud de onda \lambda_{1} y en impulsos de luz de longitud de onda \lambda_{2}, en el que dicho separador es preferentemente una rueda (82) de filtros.
- 10. Un sistema (20; 20') según la reivindicación 1, comprendiendo dicho sistema:una fuente (22; 22') para generar dicha luz de entrada que presenta dicha primera longitud de onda \lambda_{1} y dicha segunda longitud de onda \lambda_{2};un separador (38a a 38c; 82) para dividir dicha luz de entrada en un primer haz que presenta luz de longitud de onda \lambda_{1} y en un segundo haz que presenta luz de longitud de onda \lambda_{2}, presentando cada dicho haz una pluralidad de subhaces (26a a 26d; 26a', 26b') contiguos, estableciendo dichos subhaces un frente de onda \lambda_{1} para dicho primer haz y un frente de onda \lambda_{2} para dicho segundo haz;una primera agrupación (42a a 42c; 42') de elementos dispuesta para remodelar dicho primer haz;una segunda agrupación de elementos dispuesta para remodelar dicho segundo haz; yun combinador óptico para dirigir dicho frente de onda remodelado de longitud de onda \lambda_{1} y dicho frente de onda de longitud de onda \lambda_{2} sobre una trayectoria (34; 34') de haces de salida común.
- 11. Un sistema según la reivindicación 10, en el que dicha primera agrupación (42a a 42c; 42') de elementos se selecciona a partir de una agrupación de elementos que consiste en un espejo (68) activo que presenta una pluralidad de facetas (70) individuales, pudiendo moverse cada faceta (70) de manera independiente a lo largo de una trayectoria respectiva sustancialmente paralela, un espejo de lámina metálica que presenta una pluralidad de accionadores para deformar de manera selectiva dicho espejo de lámina metálica, y una agrupación de cristales líquidos.
- 12. Un procedimiento de remodelado activo de frentes de onda, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de:proporcionar un dispositivo (30; 30') de desfase óptico que actúa sobre luz (24) de entrada de al menos dos longitudes de onda \lambda_{1} y \lambda_{2}, formando dicha luz (24) de entrada al menos un haz de luz, presentando cada haz una pluralidad de subhaces (26a a 26d; 26a', 26b') contiguos, estableciendo dichos subhaces un frente de onda (28) \lambda_{1} y un frente de onda (28) \lambda_{2}, presentando dicho dispositivo al menos una agrupación (42a a 42c; 42') de elementos, pudiendo ajustarse cada elemento de manera independiente para alterar de manera selectiva la longitud de trayectoria óptica de un subhaz respectivo;utilizar dicho dispositivo para remodelar de manera independiente dicho frente de onda \lambda_{1} y dicho frente de onda \lambda_{2}; ycombinar dicho frente de onda \lambda_{1} remodelado y dicho frente de onda \lambda_{2} remodelado en una trayectoria (34; 34') de haces común.
- 13. Un procedimiento según la reivindicación 12, que comprende además las etapas de:establecer un dato de base para dichos elementos, correspondiendo dicho dato de base a un frente de onda plano;medir una desviación individual en desfase para cada uno de dichos subhaces (26a a 26d; 26a', 26b') con respecto a subhaces correspondientes de dicho frente de onda plano; yusar dichas desviaciones medidas para ajustar cada dicho elemento para modelar de manera selectiva dicho frente de onda \lambda_{1} y dicho frente de onda \lambda_{2}.
- 14. Un procedimiento según la reivindicación 13, en el que una pluralidad de elementos establece una región y dicha agrupación (42a a 42c; 42') incluye al menos una dicha región, y en el que dicho procedimiento comprende además las etapas de:identificar dicha región con un entero "n" en la que todos los subhaces (26a a 26d; 26a', 26b') que inciden en dichos elementos de dicha región "n" presentan un desfase total respectivo, incluyendo dicho desfase total dicha desviación de desfase individual y un mismo desfase modular desde dicho frente de onda plano, siendo dicho desfase modular igual a n\lambda_{1}; ycompensar dicho desfase modular durante dicha etapa de medición restando n\lambda_{1} de cada dicho desfase total para obtener dicha desviación de desfase individual.
- 15. Un procedimiento según la reivindicación 14, que comprende además las etapas de:detectar elementos limítrofes en dicha región en los que todas dichas facetas limítrofes tengan un desfase modular de (n+1)\lambda_{1} con una desviación de desfase individual de cero;identificar una región "n+1" adyacente a dichos elementos limítrofes y fuera de dicha región "n" en la que todos los subhaces (26a a 26d; 26a', 26b') que inciden en dichos elementos de dicha región "n+1" presentan un desfase total respectivo, incluyendo dicho desfase total dicha desviación de desfase individual y un mismo desfase modular desde dicho frente de onda plano, siendo dicho desfase modular igual a (n+1)\lambda_{1}; y
\global\parskip1.000000\baselineskip
compensar dicho desfase modular durante dicha etapa de medición restando (n+1)\lambda_{1} de cada dicho desfase total para obtener dicha desviación de desfase individual. - 16. Un procedimiento según la reivindicación 14, que comprende además las etapas de:detectar elementos limítrofes en dicha región donde todos dichos elementos limítrofes tengan un desfase modular de (n-1)\lambda_{1} con una desviación de desfase individual de cero;identificar una región "n-1" adyacente a dichos elementos limítrofes y fuera de dicha región "n" en la que todos los subhaces (26a a 26d; 26a', 26b') que inciden en dichos elementos de dicha región "n-1" presentan un desfase total respectivo, incluyendo dicho desfase total dicha desviación de desfase individual y un mismo desfase modular desde dicho frente de onda plano, siendo dicho desfase modular igual a (n-1)\lambda_{1}; ycompensar dicho desfase modular durante dicha etapa de medición restando (n-1)\lambda_{1} de cada dicho desfase total para obtener dicha desviación de desfase individual.
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