ES2335637B1 - OPTICAL DEVICE AND PROCEDURE FOR THE RECONSTRUCTION AND COMPENSATION OF THE WAVE FRONT FROM A COMPLEX OPTICAL ELEMENT. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo óptico y procedimiento para la reconstrucción y la compensación del frente de ondas proveniente de un elemento óptico complejo.Optical device and procedure for reconstruction and compensation of the wavefront from A complex optical element.
El dispositivo óptico de compensación comprende esencialmente una fuente de luz puntual, un colimador óptico, un polarizador lineal, un elemento óptico complejo tal como una lente oftálmica progresiva, opcionalmente un prisma compensador, un divisor de haz de película delgada, un elemento óptico activo que permite modificar la fase del frente de ondas, un sistema óptico afocal reductor, un filtro óptico antidifracción de densidad neutra, un segundo divisor de haz de película delgada, un sensor de frente de ondas de muy elevado rango dinámico de medida, un sistema de inversión conectado al sensor, y un sistema de control. La invención proporciona un dispositivo de tecnología óptica que permite caracterizar de manera rápida y precisa elementos ópticos complejos de relativamente gran tamaño, mediante la medida de los frentes de ondas que transmiten o reflejan, y permite modificar la forma del frente de ondas a un coste muy reducido.The optical compensation device comprises essentially a point light source, an optical collimator, a linear polarizer, a complex optical element such as a lens progressive ophthalmic, optionally a compensating prism, a thin film beam splitter, an active optical element that allows to modify the phase of the wavefront, an optical system Afocal reducer, a neutral density anti-diffraction optical filter, a second thin film beam splitter, a front sensor of waves of very high dynamic range of measurement, a system of inversion connected to the sensor, and a control system. The invention provides an optical technology device that allows characterize complex optical elements quickly and accurately of relatively large size, by measuring the fronts of waves that transmit or reflect, and allows you to modify the shape of the Wavefront at a very low cost.
Description
Dispositivo óptico y procedimiento para la reconstrucción y la compensación del frente de ondas proveniente de un elemento óptico complejo.Optical device and procedure for reconstruction and compensation of the wavefront from A complex optical element.
La presente solicitud de Patente de Invención consiste, conforme indica su enunciado, en un dispositivo óptico y el procedimiento asociado para la reconstrucción y la compensación del frente de ondas transmitido o reflejado por un elemento óptico complejo, en particular una lente oftálmica compleja.The present invention patent application consists, as indicated in its statement, in an optical device and the associated procedure for reconstruction and compensation of the wavefront transmitted or reflected by an optical element complex, in particular a complex ophthalmic lens.
La presente invención proporciona un método de análisis de elementos ópticos de formas complejas sin contacto que, por lo tanto, no altera, modifica ni destruye el elemento a medir. Asimismo, se caracteriza por ser relativamente insensible a vibración y además poder trabajar en condiciones de luz ambiente; por lo tanto, es compatible con un ambiente industrial de producción.The present invention provides a method of analysis of optical elements of complex forms without contact that, therefore, it does not alter, modify or destroy the element to be measured. It is also characterized by being relatively insensitive to vibration and also be able to work in ambient light conditions; therefore, it is compatible with an industrial environment of production.
La presente invención proporciona también un método preciso de compensación activa de frentes de ondas de relativamente gran tamaño y complejidad.The present invention also provides a precise method of active compensation of wave fronts relatively large size and complexity.
Nos referimos al término "frente de ondas" como el lugar geométrico de los puntos del medio que en el mismo instante son alcanzados por una onda; de tal modo que representa una forma espacial determinada.We refer to the term "wavefront" as the geometric place of the middle points that in the same instantly they are reached by a wave; in such a way that it represents a determined spatial form.
Entendemos por el término "elementos ópticos complejos" a aquellos elementos fabricados por la industria óptica tales como espejos, prismas, lentes y moldes de lentes, cuyas superficies tienen formas complejas y/o arbitrarias (free-form); por tanto, alejadas de las simples formas planas y esféricas convencionales. Ejemplos de elementos ópticos complejos son las lentes de formas arbitrarias, las lentes exoftálmicas multiformes y progresivas, las lentes de contacto multiformes y progresivas, así como también los moldes para producir algunas de estas lentes.By the term "complex optical elements" we mean those elements manufactured by the optical industry such as mirrors, prisms, lenses and lens molds, whose surfaces have complex and / or arbitrary ( free-form ) forms ; therefore, far from simple conventional spherical and flat shapes. Examples of complex optical elements are lenses of arbitrary shapes, multiform and progressive exophthalmic lenses, multiform and progressive contact lenses, as well as the molds to produce some of these lenses.
Los elementos ópticos complejos, tales como las lentes oftálmicas progresivas, presentan importantes cambios espaciales en la forma de sus superficies dadas por las distintas curvaturas locales de sus superficies. Hoy en día, las lentes progresivas se diseñan de manera cada vez más personalizada para cada usuario con el fin de mejorar sus prestaciones y confortabilidad, de tal modo que las lentes progresivas actuales tienen formas más complejas.Complex optical elements, such as progressive ophthalmic lenses, present important changes space in the shape of their surfaces given by the different local curvatures of their surfaces. Today, the lenses Progressives are designed in an increasingly personalized way to each user in order to improve their performance and comfort, so that the current progressive lenses They have more complex shapes.
Dicha mayor complejidad de las lentes hace también necesarios, por lo tanto, instrumentos que sean capaces de medirlas apropiadamente para el proceso de control de calidad del producto.This greater complexity of the lenses makes also necessary, therefore, instruments that are capable of measure them appropriately for the quality control process of the product.
Muchos de los instrumentos actualmente en uso son sistemas de medida mecánicos, cuya principal ventaja es su alto rango dinámico de medida, pero presentan importantes inconvenientes como la lentitud de medición y el riesgo de dañado de las superficies extremadamente pulidas de las lentes al tratarse de una técnica de contacto. Más recientemente, han ido apareciendo otros instrumentos de tecnología óptica basados en al análisis del frente de ondas luminoso que se hace interaccionar con la lente para la medida de sus características. Estos instrumentos tienen la ventaja de no dañar la lente, pero generalmente suelen ser también lentos para analizar áreas relativamente grandes, dado que su rango dinámico de medida es más limitado.Many of the instruments currently in use they are mechanical measurement systems, whose main advantage is their high dynamic range of measurement, but have significant drawbacks such as the slow measurement and the risk of damage to the extremely polished surfaces of the lenses as it is a contact technique More recently, others have been appearing optical technology instruments based on front analysis of light waves that interacts with the lens for measure of its characteristics. These instruments have the advantage not to damage the lens, but usually they are also also slow to analyze relatively large areas, since its range Dynamic measurement is more limited.
La presente invención, por tanto, tiene como uno de sus objetivos principales el proporcionar un dispositivo de tecnología óptica que permita caracterizar de manera rápida y precisa elementos ópticos complejos de relativamente gran tamaño, mediante la medida de los frentes de ondas que transmiten o reflejan.The present invention, therefore, has as one of its main objectives is to provide a device for optical technology that allows to characterize quickly and requires complex optical elements of relatively large size, by measuring the wave fronts that transmit or reflect.
En ese sentido, la solicitud de patente española nº 100,501,865 del mismo solicitante describe y reivindica un sensor de microlentes cilíndricas, especialmente adaptado para la medida de frentes de ondas complejos, y que es un elemento integrante del dispositivo de la presente solicitud.In that sense, the Spanish patent application No. 100,501,865 of the same applicant describes and claims a sensor of cylindrical microlenses, specially adapted for measuring complex wave fronts, and that is an integral element of device of the present application.
Además de servir para el proceso de control de calidad del elemento óptico final fabricado, en particular una lente progresiva, por medio de la medida del frente de ondas asociado -tal y como ya ha sido comentado-, el dispositivo de la presente solicitud tiene como otro de sus objetivos el proporcionar una compensación activa del frente de ondas con un aparato dinámico que permita modificar la forma del frente de ondas. Preferentemente, este aparato será un modulador espacial de fase de cristal líquido, o un espejo deformable micromecanizado.In addition to serving for the control process of quality of the final manufactured optical element, in particular a lens progressive, by measuring the associated wavefront -tal and as already commented-, the device of the present request has as another of its objectives to provide a active wavefront compensation with a dynamic device that allow to modify the shape of the wavefront. Preferably This device will be a liquid crystal phase space modulator, or a micromachined deformable mirror.
La funcionalidad del citado aparato en el dispositivo de invención radica en que, al ser un elemento dinámico, permite realizar una compensación del frente de ondas complejo de interés, a un coste muchísimo más reducido, tanto a nivel de tiempo como a nivel económico, que el asociado con un elemento estático compensador convencional (por ejemplo, una lente null-test o una placa de fase).The functionality of said apparatus in the device of the invention is that, being a dynamic element, it allows compensation of the complex wave front of interest, at a much lower cost, both at the time level and at the economic level, which the one associated with a conventional static compensating element (for example, a null-test lens or a phase plate).
Las distintas aplicaciones que podría tener esta invención se citan a continuación:The different applications that this could have invention are cited below:
i) Null-test dinámico para control de calidad de elementos ópticos. El proceso de control de calidad de un elemento óptico fabricado, y en particular una lente progresiva, se realiza midiendo diferentes parámetros de la lente. Por ejemplo, a partir de la medida del frente de ondas transmitido por la lente, se puede obtener su mapa de potencia esférica, su mapa de astigmatismo (isocilindro), o la magnitud de sus diferentes aberraciones (coeficientes de Zernike). Si en vez de por transmisión, se mide la superficie de interés de la lente por reflexión, se puede obtener, por ejemplo, la topografía superficial, su mapa de potencia esférica superficial (isopotencia), o su mapa de astigmatismo superficial (isoastigmatismo). Todo lo citado puede ser obtenido con el presente dispositivo de invención. Pero, alternativamente, y con el objetivo de ganar en sencillez y rapidez, podría hacerse un proceso de control de calidad de las lentes fabricadas por medio de un null-test. El principio del null-test consiste en compensar de forma conocida la lente, de manera que el resultado de la compensación sea sencillo de interpretar mediante una simple y rápida inspección visual. Para analizar, por ejemplo, una partida de un centenar de lentes progresivas iguales fabricadas en serie, habría que fabricar también la lente inversa teórica (null-test) con gran precisión de modo que las compense, permitiendo así obtener un frente de ondas resultante simple (por ejemplo, un frente de ondas plano). Las diferencias, respecto al frente plano, resultantes de la compensación de cada lente analizada, permitirla determinar a simple vista errores de fabricación. En particular, la presente invención permitirla simular en el modulador de fase el frente de ondas teórico inverso al de interés -de modo rápido y económico al ser un proceso reversible, en contraposición con la fabricación física del elemento compensador-, y posteriormente detectar el frente resultante con un sensor de frente de ondas, por ejemplo el que se describe y reivindica en la patente española nº 100501865 anteriormente citada. La simple visualización de posibles zonas de no rectitud de las lineas focales horizontales y verticales detectadas, permitirla conocer zonas erróneas de las lentes que han sido fabricadas.i) Dynamic Null-test for quality control of optical elements . The quality control process of a manufactured optical element, and in particular a progressive lens, is carried out by measuring different lens parameters. For example, from the measurement of the wavefront transmitted by the lens, its spherical power map, its astigmatism map (isocylinder), or the magnitude of its different aberrations ( Zernike coefficients) can be obtained. If, instead of by transmission, the surface of interest of the lens is measured by reflection, one can obtain, for example, the surface topography, its surface spherical power map (isopotence), or its surface astigmatism map (isoastigmatism). Everything mentioned can be obtained with the present invention device. But, alternatively, and with the aim of winning in simplicity and speed, a quality control process of the manufactured lenses could be done through a null-test . The principle of the null-test consists in compensating the lens in a known way, so that the result of the compensation is easy to interpret by means of a simple and quick visual inspection. To analyze, for example, a batch of one hundred of the same progressive lenses manufactured in series, the theoretical inverse lens ( null-test ) would have to be manufactured with great precision so that it compensates them, thus allowing to obtain a simple resulting wavefront (for example, a flat wave front). The differences, with respect to the flat front, resulting from the compensation of each lens analyzed, allow it to determine manufacturing errors at a glance. In particular, the present invention will allow it to simulate in the phase modulator the theoretical inverse wavefront of interest - quickly and economically as it is a reversible process, as opposed to the physical fabrication of the compensating element - and subsequently detect the front resulting with a wavefront sensor, for example the one described and claimed in Spanish Patent No. 100501865 cited above. The simple visualization of possible areas of non-rectitude of the horizontal and vertical focal lines detected, allows it to know the wrong areas of the lenses that have been manufactured.
ii) Compensación de aquellas aberraciones que sean indeseadas del frente de ondas transmitido o reflejado por un elemento óptico. Si bien en el apartado i) se describía la aplicabilidad de la invención en el control de calidad de elementos ópticos ya fabricados, en este apartado se describe su aplicabilidad como dispositivo para la mejora del proceso mismo de fabricación de dichos elementos, y en particular de lentes progresivas. Convencionalmente, el proceso de fabricación comienza con el diseño por software de la lente. A partir de él se fabrica el primer prototipo, se realizan estudios clínicos para evaluar sus prestaciones y, en caso de ser favorables, se termina fabricando la lente a gran escala. En caso de que dichos estudios clínicos sean desfavorables, se repite el proceso con el diseño modificado. El primer paso del proceso parte, pues, de un diseño teórico que queda plasmado en la lente prototipo real. Al tratarse de un salto de lo teórico a lo real, es posible encontrar diferencias; es decir, que la lente fabricada no sea totalmente fiel al diseño teórico, especialmente para los diseños más complejos. Dicho error seria arrastrado al posterior estudio clínico. La utilización de la presente invención en el análisis y eventual compensación del frente de ondas asociado a la lente prototipo, ayudarla a eliminar los mencionados errores de fabricación. Los errores detectados al medir el frente (aberraciones indeseadas) serían, a continuación, compensados por medio del modulador de fase. El resultado sería nuevamente medido por el sensor de microlentes cilíndricas, con el fin de poder verificar las implicaciones reales de la corrección. Finalmente, esta corrección real seria introducida como entrada a una máquina repulidora -externa a la presente invención- que actuaría mecánicamente sobre la lente prototipo, dándole la forma requerida.ii) Compensation of those aberrations that are undesired from the wavefront transmitted or reflected by an optical element . Although in section i) the applicability of the invention in the quality control of already manufactured optical elements was described, this section describes its applicability as a device for the improvement of the manufacturing process itself of said elements, and in particular of progressive lenses Conventionally, the manufacturing process begins with the software design of the lens. From it the first prototype is manufactured, clinical studies are carried out to evaluate its benefits and, if favorable, it ends up manufacturing the lens on a large scale. If these clinical studies are unfavorable, the process is repeated with the modified design. The first step of the process, then, starts from a theoretical design that is embodied in the real prototype lens. Being a leap from the theoretical to the real, it is possible to find differences; that is, that the manufactured lens is not completely faithful to the theoretical design, especially for more complex designs. Said error would be dragged to the subsequent clinical study. The use of the present invention in the analysis and eventual compensation of the wavefront associated with the prototype lens, will help eliminate said manufacturing errors. The errors detected when measuring the front (unwanted aberrations) would then be compensated by means of the phase modulator. The result would be measured again by the cylindrical microlens sensor, in order to verify the real implications of the correction. Finally, this real correction would be introduced as an input to a repulsive machine - external to the present invention - that would act mechanically on the prototype lens, giving it the required shape.
El dispositivo óptico de medida, reconstrucción y compensación objeto de la presente invención comprende principalmente los siguientes componentes:The optical measuring device, reconstruction and compensation object of the present invention comprises Mainly the following components:
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- una fuente de luz puntual;a point light source;
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- un colimador óptico, adaptado para homogeneizar las trayectorias o rayos que emitidos por la fuente luminosa salen en todas direcciones, de modo que se obtenga un conjunto de rayos paralelos;a optical collimator, adapted to homogenize the trajectories or rays emitted by the light source come out in all directions, so that a set of rays is obtained parallel;
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- un polarizador lineal; a linear polarizer;
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- un elemento óptico complejo, preferentemente colocado en posición frontal respecto a la dirección del frente de ondas entrante, y en el caso particular de ser una lente oftálmica progresiva además ligeramente inclinada (unos 12º) para reproducir el ángulo pantoscópico natural de posicionamiento de la lente para el usuario, estando ubicado el elemento óptico complejo en un soporte mecánico que estará dotado de unos medios de posicionamiento adaptados para permitir por un lado un movimiento lineal micrométrico transversal (plano XY) y longitudinal (Z) , y por el otro lado un movimiento rotacional micrométrico en torno a los 3 ejes coordenados espaciales (X, Y, Z);a complex optical element, preferably placed in position frontal with respect to the direction of the incoming wavefront, and in the particular case of being a progressive ophthalmic lens in addition slightly inclined (about 12º) to reproduce the angle natural pantoscopic positioning of the lens for the user, the complex optical element being located on a mechanical support which will be equipped with positioning means adapted to allow on the one hand a transverse micrometric linear movement (XY plane) and longitudinal (Z), and on the other hand a movement micrometric rotational around the 3 spatial coordinate axes (X AND Z);
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- opcionalmente, un prisma compensador dispuesto entre el elemento óptico complejo y un divisor de haz de película delgada, estando el prisma compensador adaptado para compensar los efectos prismáticos elevados en aquellos elementos ópticos complejos que los tuvieran;optionally, a compensating prism disposed between the complex optical element and a beam splitter of thin film, the compensating prism being adapted to compensate for high prismatic effects on those elements complex optics that had them;
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- un divisor de haz (beam-splitter) de película delgada dispuesto entre el elemento óptico complejo y un modulador de fase activo, estando situado inclinado en un ángulo de 45º respecto a la dirección del frente de ondas entrante de modo que lo direccione hacia el modulador de fase activo;a thin -beam beam splitter arranged between the complex optical element and an active phase modulator, being inclined at an angle of 45 ° to the direction of the incoming wavefront so that it directs it towards the modulator active phase;
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- un elemento óptico activo que permita modificar la fase del frente de ondas, preferentemente un modulador de fase activo de cristal líquido actuando por reflexión, que está adaptado para compensar total ó parcialmente el frente de ondas proveniente del elemento óptico complejo, y se dispone preferentemente en dirección perpendicular al frente de ondas inicial o ligeramente inclinado en anchura (con un ángulo comprendido entre 0º y 2º respecto a la perpendicularidad) para facilitar el filtrado de luz parásita de orden 0 de difracción, si bien -en este último caso- se ha de compensar esta inclinación introduciendo en el modulador la opuesta;a active optical element that allows to modify the phase of the front of waves, preferably a crystal active phase modulator liquid acting by reflection, which is adapted to compensate totally or partially the wavefront coming from the element complex optical, and preferably arranged in the direction perpendicular to the initial wavefront or slightly inclined in width (with an angle between 0º and 2º with respect to the perpendicularity) to facilitate stray light filtering of diffraction order 0, although - in the latter case - it must be compensate for this inclination by introducing in the modulator the opposite;
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- un sistema óptico afocal reductor, que está adaptado para conjugar ópticamente el modulador de fase activo con un sensor de frentes de ondas, de modo que traslada y reduce en tamaño el frente de ondas resultado de la compensación, para ser medido por el sensor;a Afocal reducing optical system, which is adapted to conjugate optically the active phase modulator with a front sensor waves, so that it moves and reduces the wavefront in size compensation result, to be measured by the sensor;
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- un filtro óptico antidifracción de densidad neutra (bullseye apodizíng filter) con el centro transparente y haciéndose gradualmente oscuro hacia el borde, posicionado dentro del sistema óptico afocal reductor cuando la modulación de fase sea de gran magnitud, que está adaptado para filtrar la luz no modulada en fase correspondiente al orden 0 de difracción que sale del modulador de fase activo de cristal líquido;a neutral density anti-diffraction optical filter ( bullseye apodizíng filter ) with the transparent center and gradually becoming dark towards the edge, positioned within the afocal reducing optical system when the phase modulation is of great magnitude, which is adapted to filter the unmodulated light in phase corresponding to the order 0 of diffraction that leaves the active phase modulator of liquid crystal;
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- un segundo divisor de haz (beam-splitter) 50/50 de película delgada, que está adaptado para dividir el frente de ondas proveniente del modulador de fase activo en dos réplicas iguales antes de entrar en el sensor;a second 50/50 thin -beam beam splitter , which is adapted to divide the wavefront from the active phase modulator into two equal replicas before entering the sensor;
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- un sensor de frente de ondas de muy elevado rango dinámico de medida, preferentemente del tipo Shack-Hartmann basado en 2 matrices de microlentes cilíndricas, que está adaptado junto con un software de reconstrucción asociado para reconstruir en 3-dimensiones el frente de ondas entrante y obtener otras representaciones y parámetros característicos (por ejemplo, mapas de potencia esférica, astigmatismo y eje); el sensor incluye un software de reconstrucción que mediante un algoritmo propio procesa las imágenes captadas por el bloque captador del sensor (en particular 2 fotodetectores tipo CCD o CMOS) hasta lograr la reconstrucción del frente aberrado, preferentemente mediante el ajuste a la base circular de polinomios de Zernike, o alternativamente a la base de polinomios de B-splines;a wavefront sensor of very high dynamic range of measurement, preferably of the Shack-Hartmann type based on 2 matrices of cylindrical microlenses, which is adapted together with an associated reconstruction software to reconstruct the incoming wavefront in 3-dimensions and obtain other representations and characteristic parameters (for example, spherical power, astigmatism and axis maps); The sensor includes a reconstruction software that, through its own algorithm, processes the images captured by the sensor's sensor block (in particular 2 CCD or CMOS photodetectors) until the reconstruction of the aberrated front is achieved, preferably by adjusting the circular base of polynomials from Zernike , or alternatively to the base of polynomials of B-splines ;
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- un sistema de inversión conectado al sensor, que comprende un software de inversión, que está adaptado para invertir el frente de ondas de interés, y está conectado al modulador de fase activo para enviarle el frente invertido y hacer así que el modulador lo genere; yan inversion system connected to the sensor, which comprises an investment software , which is adapted to reverse the wavefront of interest, and is connected to the active phase modulator to send the inverted front and thus generate the modulator; Y
- --
- un sistema de control, que controla los parámetros de inversión del frente de ondas captado por el sensor o diseñado teóricamente, que son los coeficientes de Zernike a invertir y el dominio del frente en el que realizar la inversión. Los parámetros de inversión se pueden elegir por parte del usuario.a control system, which controls the inversion parameters of the wavefront captured by the sensor or theoretically designed, which are the Zernike coefficients to be reversed and the domain of the front in which to make the investment. The investment parameters can be chosen by the user.
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La fuente de luz puntual, obtenida preferentemente a partir de un diodo láser unido a una fibra óptica mono-modo o alternativamente a partir de una fuente luminosa extensa y un filtro espacial consistente en un objetivo de microscopio y un pinhole, es colimada utilizando un colimador óptico de tipo genérico. El frente de ondas plano resultante pasa primero a través de un polarizador lineal y, seguidamente -si el dispositivo de invención está en configuración transmisiva- atraviesa el elemento óptico complejo y se dirige hacia -el aparato modulador de fase mediante un primer divisor de haz (beam-splitter) de película delgada. Si la configuración de trabajo es reflexiva, el frente de ondas plano linealmente polarizado pasa inicialmente sin desviarse por el primer divisor de haz hasta reflejarse en el elemento óptico complejo e incide de vuelta nuevamente en el divisor de haz que lo dirige hacia el modulador de fase. Debe hacerse notar que la disposición preferente de la invención es con el divisor de haz orientado en anchura a 45º respecto al elemento complejo y al modulador de fase, que estarán, por tanto, orientados en direcciones perpendiculares entre si. Sin embargo, también es una disposición apropiada situar el elemento complejo en ángulo (hasta 30º) respecto al modulador de fase, sin la necesidad, por tanto, de emplear un divisor de haz. El modulador de fase de cristal líquido compensa y refleja el frente de ondas hacia un sensor, que se dispone en la misma dirección y en posición enfrentada respecto al citado modulador de fase.The point light source, preferably obtained from a laser diode attached to a mono-mode optical fiber or alternatively from an extensive light source and a spatial filter consisting of a microscope objective and a pinhole , is collimated using a collimator. generic type optic. The resulting flat wavefront passes first through a linear polarizer and then - if the device of the invention is in a transmissive configuration - it passes through the complex optical element and is directed towards - the phase modulating apparatus by means of a first beam splitter ( beam-splitter ) thin film. If the working configuration is reflective, the linearly polarized plane wave front initially passes without deviating through the first beam splitter until it is reflected in the complex optical element and again hits the beam splitter that directs it towards the phase modulator . It should be noted that the preferred arrangement of the invention is with the beam splitter oriented in width at 45 ° with respect to the complex element and the phase modulator, which will therefore be oriented in perpendicular directions to each other. However, it is also an appropriate arrangement to place the complex element at an angle (up to 30 °) with respect to the phase modulator, without the need, therefore, to use a beam splitter. The liquid crystal phase modulator compensates for and reflects the wavefront towards a sensor, which is arranged in the same direction and in an opposite position with respect to said phase modulator.
Con el fin de trasladar el frente hacia el sensor, se coloca entre el modulador y el sensor un sistema óptico genérico afocal (con un filtro antidifracción opcional), el cual se diseñará para que además adecue el tamaño del frente al tamaño del sensor para hacer posible la medida.In order to move the front towards the sensor, an optical system is placed between the modulator and the sensor generic afocal (with an optional anti-diffraction filter), which design so that it also fits the size of the front to the size of the sensor to make the measurement possible.
El sensor realiza, por tanto, la medición reconstruyendo en 3-dimensiones el frente de ondas entrante, y además, en el caso particular de una lente progresiva, obteniendo otros resultados de salida como mapas espaciales de potencia, astigmatismo, eje y coeficientes de Zernike en todo el dominio o en sus diferentes subzonas, por medio de un software propio. Asimismo, diferentes rutinas de control por software permiten al usuario invertir parcial o totalmente el frente de ondas asociado al elemento complejo o a sus subzonas particulares de interés, o bien construir un frente de ondas teórico invertido, para posteriormente enviarlo y poder ser generado en el modulador de fase de cristal líquido. Consecuentemente, se producirla el proceso de compensación requerido en aplicaciones como, por ejemplo, las descritas en los apartados i) y ii) anteriormente citados.The sensor therefore performs the measurement by reconstructing the incoming wavefront in 3-dimensions, and also, in the particular case of a progressive lens, obtaining other output results such as spatial maps of power, astigmatism, axis and Zernike coefficients. throughout the domain or in its different subzones, through its own software . Likewise, different software control routines allow the user to partially or totally reverse the wavefront associated with the complex element or its particular sub-areas of interest, or build an inverted theoretical wavefront, to later send it and be able to be generated in the modulator of liquid crystal phase. Consequently, the compensation process required in applications such as those described in sections i) and ii) above will be produced.
Un colimador óptico genérico es un sistema que a partir de un haz de luz divergente obtiene un haz de luz paralelo. Tiene la función de homogeneizar las trayectorias o rayos que emitidos por un fuente luminosa salen en todas direcciones, de modo que se obtenga un conjunto de rayos paralelos (o también llamado frente de ondas plano). Esencialmente está formado por una serie de lentes (solamente una en el diseño más sencillo) y algunos diafragmas. Según es una realización preferida del objeto de la presente invención, el colimador óptico utilizado estará formado por una serie de diafragmas de diferentes diámetros, y una lente acrómatica de gran diámetro (mayor de 60 mm.), en cuyo foco objeto irá posicionada la fuente de luz puntual, obtenida preferentemente a partir de un diodo láser unido a una fibra óptica mono-modo.A generic optical collimator is a system that from a divergent beam of light you get a parallel beam of light. It has the function of homogenizing the trajectories or rays that emitted by a light source they leave in all directions, so that a set of parallel rays (or also called flat wave front). Essentially it consists of a series of lenses (only one in the simplest design) and some diaphragms As it is a preferred embodiment of the object of the present invention, the optical collimator used will be formed by a series of diaphragms of different diameters, and a lens large diameter acromatic (greater than 60 mm.), in whose focus object the point light source will be positioned, preferably obtained at from a laser diode attached to an optical fiber mono-mode
Un divisor de haz (beam-splitter) de película delgada genérico es un elemento óptico de grosor de unidades de miera que divide un haz de luz en dos: uno transmitido y otro reflejado, sin modificar sus características (en particular la fase), a excepción de sus energías.A generic thin film beam splitter is an optical element with a thickness of units of beams that divides a beam of light into two: one transmitted and one reflected, without modifying its characteristics (in particular the phase), to Exception of their energies.
Un polarizador lineal genérico es un elemento óptico que actúa linealizando el estado de polarización de un frente luminoso, sin modificar substancialmente sus demás propiedades (en particular la fase).A generic linear polarizer is an element optical that acts by linearizing the polarization state of a front bright, without substantially modifying its other properties (in particular phase).
El elemento óptico complejo utilizado podrá ser, por ejemplo, una lente de forma arbitraria, una lente multifocal y progresiva, una lente de contacto multifocal y progresiva, o bien un molde para producir alguna de las anteriores lentes.The complex optical element used may be, for example, an arbitrarily shaped lens, a multifocal lens and progressive, a multifocal and progressive contact lens, or a mold to produce any of the previous lenses.
El elemento óptico activo será preferentemente un modulador de fase activo de cristal líquido actuando por reflexión, aunque también podrá ser un espejo deformable micromecanizado.The active optical element will preferably be an active phase modulator of liquid crystal acting by reflection, although it can also be a deformable mirror micromachining
Un modulador de fase activo de cristal líquido
es un dispositivo óptico dinámico capaz de modificar exclusivamente
la fase del frente de ondas luminoso; es decir, hacer una
modificación de fase no estática y, por lo tanto, diferente según
cada caso particular de interés. Trabajando en reflexión, el
modulador realiza la modificación de la fase del frente que le
incide por medio de un cristal líquido de moléculas paralelas, que
son controladas por un LCD de alta resolución espacial en el que se
entra la fase modificadora requerida en representación de mapa
plegado de niveles de
gris.An active phase modulator of liquid crystal is a dynamic optical device capable of exclusively modifying the phase of the light wave front; that is, to make a non-static and, therefore, different phase modification according to each particular case of interest. Working on reflection, the modulator performs the modification of the front phase that affects it by means of a liquid crystal of parallel molecules, which are controlled by a high spatial resolution LCD into which the required modifying phase is entered as a map folding levels
Gray.
Un sistema óptico reductor genérico es aquel que sirve para trasladar un objeto a su plano imagen, reescalándolo además un factor reductor determinado. Según es una realización preferida del objeto de la presente invención, el sistema reductor utilizado comprende dos dobletes acromáticos en una disposición 4f, de manera que traslade el frente de ondas que sale del modulador hacia el sensor, al que además llegará reescalado según la relación dada por las focales de los dobletes seleccionados f2/f1.A generic reducing optical system is one that serves to transfer an object to its image plane, also rescaling a given reducing factor. According to a preferred embodiment of the object of the present invention, the reducing system used comprises two achromatic doublets in an arrangement 4f , so that it moves the wave front that leaves the modulator towards the sensor, which will also be rescaled according to the given ratio. by the focal points of the selected doublets f2 / f1 .
Un filtro óptico antidifracción de densidad neutra con el centro transparente y haciéndose gradualmente oscuro hacia el borde, es un elemento óptico en el que la densidad óptica crece desde el centro hasta el borde, de modo que actúa transmitiendo la luz en eje. Se colocará en la posición 2f del sistema reductor 4f, en aquellos casos en que la compensación de fase que realiza el modulador de cristal líquido sea de gran magnitud, con el fin de filtrar la luz parásita, correspondiente al orden 0 de difracción, que sale del modulador.A neutral density anti-diffraction optical filter with the transparent center and gradually becoming dark towards the edge, is an optical element in which the optical density grows from the center to the edge, so that it acts by transmitting the light on the axis. It will be placed in position 2f of the reduction system 4f , in those cases in which the phase compensation performed by the liquid crystal modulator is of great magnitude, in order to filter the parasitic light, corresponding to the order 0 of diffraction, which comes out of the modulator.
Según es una realización preferida del objeto de la presente invención, el sensor de frente de ondas utilizado será del tipo Shack-Hartmann, basado en matrices de microlentes cilíndricas. Concretamente, el sensor estará formado por dos matrices idénticas de microcilindros orientadas a lo largo de las direcciones vertical y horizontal, que focalizan el frente de ondas entrante (que previamente era dividido en dos réplicas por medio del segundo beam-splitter 50/50) en la forma de un patrón de lineas verticales y horizontales, respectivamente, y que son simultáneamente registrados por dos fotodetectores idénticos (CCD's o CMOS). Estas imágenes de los patrones serán procesadas mediante un algoritmo propio de localización de lineas que permite extraer las pendientes longitudinales y transversales, al medir su desviación respecto a las lineas correspondientes a un frente de referencia, preferentemente plano. Asimismo, a partir de dichas pendientes, se puede reconstruir el frente tridimensional mediante ajuste a la base circular de polinomios de Zernike, o alternativamente a la base de polinomios de B-splines. De este resultado, diversas rutinas de control tanto de inversión parcial o total de las aberraciones, como de inversión en todo o parte del dominio, permitirán entrar en el modulador de fase la compensación requerida, en una configuración de óptica activa (también denominada óptica adaptativa en bucle abierto).According to a preferred embodiment of the object of the present invention, the wavefront sensor used will be of the Shack-Hartmann type, based on cylindrical microlens matrices. Specifically, the sensor will be formed by two identical arrays of micro cylinders oriented along the vertical and horizontal directions, which focus on the incoming wave front (which was previously divided into two replicas by means of the second 50/50 beam splitter ) in the shape of a pattern of vertical and horizontal lines, respectively, and that are simultaneously registered by two identical photodetectors (CCD's or CMOS). These images of the patterns will be processed by means of an own algorithm of location of lines that allows to extract the longitudinal and transverse slopes, when measuring their deviation with respect to the lines corresponding to a reference front, preferably flat. Also, from these slopes, the three-dimensional front can be reconstructed by adjustment to the circular base of Zernike polynomials, or alternatively to the base of B-splines polynomials. From this result, various control routines of both partial or total inversion of the aberrations, and of investment in all or part of the domain, will allow the required compensation to enter the phase modulator in an active optic configuration (also called adaptive optics open loop).
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El procedimiento de medida y compensación activa de frentes de ondas complejos objeto de la invención comprende principalmente las siguientes etapas:The active measurement and compensation procedure of complex wave fronts object of the invention comprises Mainly the following stages:
- a0) a0)
- Inicialmente, tras haberse realizado el montaje del sistema (y en una única vez), se lleva a cabo un proceso de calibración del sistema anteriormente descrito para conocer el ratio real entre la focal de las microlentes y del tamaño de pixel de las CCD's del sensor, con el fin de asegurar una óptima exactitud de medición. Para ello se retira la lente colimadora y sin colocar el elemento óptico complejo y teniendo el modulador de fase en modo apagado (o en modo encendido creando un frente plano), se mide el frente esférico "perfecto" creado por la fuente puntual según el mismo proceso que se detalla en los siguientes pasos "a1", "a2" y "a3" (como referencia se toma el frente plano con la lente colimadora insertada). Comparando -en el paso "a3.5"- la curvatura medida con la teórica conocida, se consigue inferir el ratio real entre el tamaño de pixel de las CCD's y la focal de las microlentes.Initially, after the assembly of the system (and only once), a calibration process of the system described above is carried out to know the real ratio between the focal length of the microlenses and the pixel size of the sensor CCDs. , in order to ensure optimum measurement accuracy. For this, the collimating lens is removed and without placing the complex optical element and having the phase modulator in off mode (or in on mode creating a flat front), the "perfect" spherical front created by the point source according to the same is measured This process is detailed in the following steps "a1", "a2" and "a3" (for reference the flat front is taken with the collimating lens inserted). Comparing - in step "a3.5" - the curvature measured with the known theoretical one, it is possible to infer the real ratio between the pixel size of the CCD's and the focal length of the microlenses.
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- a1) a1)
- Sin colocar el elemento óptico complejo y con el modulador de fase de cristal líquido en modo apagado (o encendido creando un frente plano), se capta con el sensor un frente de referencia, preferentemente plano: una imagen de lineas rectas horizontales y otra imagen de lineas rectas verticales.Without placing the complex optical element and with the liquid crystal phase modulator in off (or on) mode creating a flat front), a front of reference, preferably flat: an image of straight lines horizontal and another image of straight vertical lines.
- \quadquad
- Alternativamente, y en especial cuando el elemento a medir es una lente altamente convergente, el frente de referencia más apropiado será esférico divergente (por ejemplo, el creado por la fuente puntual cuando se quita la lente colimadora).Alternatively, and especially when the item to measure is a highly convergent lens, the reference front more appropriate will be spherical divergent (for example, the one created by the point source when the collimator lens is removed).
- a2) a2)
- Seguidamente, se coloca el elemento óptico complejo en su posición (etapa "a2.1") y teniendo el modulador de fase de cristal líquido en modo apagado (o encendido creando un frente plano), se capta el frente de ondas aberrado (etapa "a2.2") que transmite -en el caso de que el sistema esté en configuración transmisiva- o refleja - en el caso de que el sistema esté en configuración reflexiva-: dos imágenes de líneas horizontales y verticales distorsionadas.Next, the complex optical element is placed in position (stage "a2.1") and having the phase modulator of liquid crystal in off mode (or on creating a front plane), the aberrated wavefront is captured (step "a2.2") that transmits -in case the system is in configuration transmissive- or reflects - in case the system is in reflective configuration-: two images of horizontal lines and distorted verticals.
- a3) a3)
- Mediante un algoritmo propio se procesan las imágenes captadas por el sensor en las anteriores etapas "a1" y "a2", de manera que se reconstruye el frente de ondas aberrado según los siguientes pasos:Through an own algorithm, the images captured by the sensor in the previous stages "a1" and "a2", so that the aberrated wave front is rebuilt according to the following steps:
- a3.1) a3.1)
- segmentación de las líneas, basada preferentemente en la aplicación del operador de detección de bordes de Canny y, posteriormente, operadores morfológicos de cierre;segmentation of the lines, preferably based on the application of the Canny edge detection operator and, subsequently, morphological closing operators;
- a3.2) a3.2)
- etiquetado de las líneas, que estarán formadas por píxeles 8-conectados con intensidad (también llamado nivel de gris) no nula;labeling of the lines, which will be formed by 8-connected pixels with intensity (also called gray level) not zero;
- a3.3) a3.3)
- intersección de líneas horizontales y verticales;intersection of horizontal lines and vertical
- a3.4) a3.4)
- cálculo de los centroides en direcciones ortogonales X e Y en las zonas de intersección;calculation of centroids in orthogonal directions X and Y in the intersection zones;
- a3.5) a3.5)
- cálculo de las pendientes locales del frente aberrado en direcciones ortogonales;calculation of local front slopes opened in orthogonal directions;
- a3.6) a3.6)
- reconstrucción del frente aberrado mediante el ajuste de las pendientes preferentemente a la base circular de polinomios de Zernike o, alternativamente, a la base de polinomios de B-splines; yreconstruction of the aberrated front by adjusting the slopes preferably to the circular base of Zernike polynomials or, alternatively, to the base of B-splines polynomials; Y
- a3.7) a3.7)
- en el caso particular de lentes oftálmicas progresivas, extracción de parámetros característicos de las mismas como, por ejemplo, los mapas espaciales de potencia esférica, astigmatismo y eje, y la magnitud de las aberraciones es sus diferentes zonas de interés (zonas del corredor, zonas nasales y zonas temporales).in the particular case of ophthalmic lenses progressive, extraction of characteristic parameters thereof such as spatial maps of spherical power, astigmatism and axis, and the magnitude of aberrations is their different areas of interest (corridor areas, nasal areas and temporary zones).
- b1) b1)
- El software de control lee los parámetros de control seleccionados por el usuario (X_{1}, X_{2}, ... X_{n}) y gestiona la inversión.The control software reads the control parameters selected by the user (X_ {1}, X_ {2}, ... X_ {n}) and manages the investment.
- \quadquad
- Los parámetros de control a elegir por el usuario (X_{1}, X_{2}, ... X_{n}) son, por un lado, las aberraciones particulares que se desean compensar (compensación total o parcial según se inviertan todos o solo algunos coeficientes de Zernike, respectivamente), y, por otro lado, la posición y tamaño del dominio completo del frente o de las subzonas del dominio que se quieren compensar (compensación espacial: en todo el dominio, o solo en determinadas subzonas).The control parameters to be chosen by the user (X_ {1}, X_ {2}, ... X_ {n}) are, on the one hand, the particular aberrations that are to be compensated (total or partial compensation as all are reversed or only some Zernike coefficients, respectively), and, on the other hand, the position and size of the entire domain of the front or of the sub-zones of the domain that are to be compensated (spatial compensation: in the whole domain, or only in certain sub-zones) .
- b2) b2)
- Según la selección efectuada en la etapa "b1", el software de inversión realiza la inversión total o parcial y en todo el dominio o solo en determinadas subzonas, del frente de ondas medido o teórico de interés.According to the selection made in stage "b1", the investment software makes the total or partial investment and in the entire domain or only in certain sub-zones, of the measured or theoretical wavefront of interest.
- b3) b3)
- El frente invertido por parte del software de inversión (o eventualmente el valor de los parámetros que lo conforman) será la entrada introducida en el modulador de fase activo que generará, por consiguiente, esa compensación.The inverted front by the investment software (or eventually the value of the parameters that make it up) will be the input introduced in the active phase modulator that will, consequently, generate that compensation.
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Debido a que el dispositivo está concebido para trabajar con elementos ópticos complejos estáticos y que la respuesta del modulador de fase de cristal líquido es muy lineal, la configuración del procedimiento de medida (etapa "a") y compensación adaptativa (etapa "b") es en bucle abierto, es decir que se efectúa en una sola iteración.Because the device is designed to work with static complex optical elements and that the Liquid crystal phase modulator response is very linear, the configuration of the measurement procedure (step "a") and adaptive compensation (stage "b") is open loop, it is Say it is done in a single iteration.
Se han realizado numerosos ensayos que verifican la capacidad de medida y compensación del frente de ondas transmitido o reflejado por elementos ópticos complejos mediante el dispositivo y el procedimiento descritos.There have been numerous tests that verify measurement capacity and wavefront compensation transmitted or reflected by complex optical elements through the device and procedure described.
Las características y las ventajas del dispositivo y procedimiento de medida, reconstrucción y compensación activa del frente de ondas asociado a elementos ópticos complejos, objeto de la presente invención, resultarán más claras a partir de la descripción detallada de una realización preferida del mismo que se dará, de aquí en adelante, a modo de ejemplo no limitativo, con referencia a los dibujos que se acompañan, en los cuales:The characteristics and advantages of device and procedure for measurement, reconstruction and compensation wavefront active associated with complex optical elements, object of the present invention, will be clearer from the detailed description of a preferred embodiment thereof that it will be given, from now on, as a non-limiting example, with reference to the accompanying drawings, in which:
La figura nº 1 muestra una vista esquemática del dispositivo objeto de la invención en configuración transmisiva.Figure 1 shows a schematic view of the device object of the invention in transmissive configuration.
La figura nº 2 muestra el diagrama de flujo del procedimiento de medida y compensación activa del dispositivo objeto de la invención.Figure 2 shows the flow chart of the measurement procedure and active compensation of the target device of the invention.
La figura nº 3 muestra los resultados experimentales de medida y compensación del frente de ondas transmitido por una lente comercial de adición progresiva con potencia nula de lejos y 2 D de cerca.Figure 3 shows the results experimental measurement and wavefront compensation transmitted by a commercial progressive addition lens with null power from far and 2 D from near.
La figura nº 4 muestra los resultados de un experimento realizado para caracterizar la respuesta del modulador de fase de cristal líquido en el dispositivo preconizado. En concreto, se escriben en el modulador -en representación de mapa de fase plegado sobre una área activa de cristal líquido de 20 mm. x 20 mm.- los frentes de ondas correspondientes a lentes esféricas de diferentes curvaturas (0.25 D, 0.5 D, 1 D y 1.5 D), y se miden con el sensor para evaluar la calidad de la respuesta del modulador.Figure 4 shows the results of a experiment performed to characterize the modulator response phase of liquid crystal in the recommended device. In specifically, they are written in the modulator - representing map of folded phase on an active area of liquid crystal of 20 mm. x 20 mm.- the wave fronts corresponding to spherical lenses of different curvatures (0.25 D, 0.5 D, 1 D and 1.5 D), and measured with the sensor to evaluate the quality of the modulator response.
Sigue a continuación una relación detallada de los principales elementos que configuran el dispositivo objeto de la invención y que se encuentran en los dibujos: (10) dispositivo de compensación, (11) fuente de luz puntual, (12) colimador óptico, (13) polarizador lineal, (14) lente compleja montada sobre un soporte (15), (15) soporte mecánico con posibilidad de movimiento lineal y rotacional micrométrico entorno a los tres ejes cartesianos del espacio, (16) prisma compensador, (17) primer divisor de haz, (18) modulador de fase activo de cristal líquido, (19) sistema óptico reductor formado por dos dobletes acromáticos, (20) filtro antidifracción, (21) sensor de frente de ondas, (22) segundo divisor de haz, (23a-23b) matrices idénticas de microcilindros, (24a-24b) CCD's idénticos, (25) bloque captador del sensor (21), (26) bloque de reconstrucción del sensor (21), (27) bloque de inversión, y (28) bloque de control de la compensación.Follow below a detailed relationship of the main elements that configure the device object of the invention and found in the drawings: (10) device compensation, (11) point light source, (12) optical collimator, (13) linear polarizer, (14) complex lens mounted on a support (15), (15) mechanical support with possibility of movement linear and rotational micrometric around the three Cartesian axes from space, (16) compensating prism, (17) first beam splitter, (18) liquid crystal active phase modulator, (19) system optical reducer formed by two achromatic doublets, (20) filter anti-diffraction, (21) wavefront sensor, (22) second splitter of beam, (23a-23b) identical matrices of micro cylinders, (24a-24b) identical CCDs, (25) sensor sensor block (21), (26) reconstruction block of the sensor (21), (27) inversion block, and (28) control block of The compensation.
En particular referencia a la figura nº 1, en la misma se pueden apreciar los distintos elementos que integran el dispositivo óptico de medida, reconstrucción y compensación objeto de la presente invención (10). La fuente de luz puntual (11), obtenida en este caso a partir de un diodo láser unido a una fibra óptica mono-modo, es colimada utilizando un colimador óptico (12). El frente de ondas plano resultante pasa primero a través de un polarizador lineal (13) y seguidamente atraviesa la lente compleja (14), que está colocada en un soporte mecánico con capacidad de posicionamiento micrométrico (15). Cuando fuese necesario, se puede posicionar un prisma (16) a continuación de la lente compleja (14), el cual compensa el efecto prismático. A continuación el frente de ondas se dirige hacia el modulador de fase de cristal líquido (18) mediante un primer divisor de haz (17) de película delgada, dispuesto en una inclinación de 45º. El modulador de fase de cristal líquido (18), dispuesto en dirección perpendicular a la dirección del frente de ondas transmitido por la lente compleja (14), actúa compensándolo y, posteriormente, reflejándolo hacia un sensor (21), que se dispone en la misma dirección y en posición enfrentada y ópticamente conjugada respecto al citado modulador de fase (18). Entre el modulador de fase (18) y el sensor (21) se dispone un sistema óptico reductor (19) con un filtro antidifracción removible (20), y un segundo divisor de haz (22) que duplica el frente de ondas.In particular reference to figure 1, in the same you can see the different elements that make up the optical device for measurement, reconstruction and compensation object of the present invention (10). The point light source (11), obtained in this case from a laser diode attached to a fiber mono-mode optics, is collimated using a optical collimator (12). The resulting flat wavefront passes first through a linear polarizer (13) and then crosses the complex lens (14), which is placed on a support mechanical with micrometric positioning capability (15). When if necessary, a prism (16) can be positioned below of the complex lens (14), which compensates for the prismatic effect. TO then the wavefront is directed towards the phase modulator of liquid crystal (18) by a first beam splitter (17) of thin film, arranged at an inclination of 45 °. The modulator phase of liquid crystal (18), arranged in direction perpendicular to the direction of the wavefront transmitted by the complex lens (14), acts by compensating it and, subsequently, reflecting it towards a sensor (21), which is arranged therein direction and in opposite position and optically conjugated with respect to said phase modulator (18). Between the phase modulator (18) and the sensor (21) is provided with an optical reduction system (19) with a removable anti-diffraction filter (20), and a second beam splitter (22) that doubles the wavefront.
En particular referencia al sensor (21), el mismo comprende dos partes diferenciadas: el bloque captador (25) y el bloque de reconstrucción (26). El bloque captador (25) está formado por dos matrices idénticas de microcilindros (23a-23b) orientadas a lo largo de las direcciones vertical y horizontal, junto con dos CCD's (24a-24b) idénticos. El bloque de reconstrucción (26) está formado por un software de reconstrucción que, a partir de las imágenes de los patrones de lineas de referencia y aberrados detectados por el citado bloque captador (25), se encarga de reconstruir tridimensionalmente el frente de ondas aberrado.In particular reference to the sensor (21), the It comprises two different parts: the sensor block (25) and the reconstruction block (26). The pickup block (25) is formed by two identical matrices of micro cylinders (23a-23b) oriented along the directions vertical and horizontal, along with two CCDs (24a-24b) identical The reconstruction block (26) is formed by a reconstruction software that, from the images of the reference and aberrated line patterns detected by the cited sensor block (25), is responsible for rebuilding three dimensionally the front of waves aberred.
El sensor (21) está, asimismo, conectado a un bloque de inversión (27) que está formado por un software de inversión que puede: a.)invertir parcial o totalmente el frente de ondas, b.) realizar dicha inversión en todo el dominio o solamente en determinadas subzonas del frente de ondas, y c.) realizar la citada inversión en el frente de ondas medido de la lente compleja o en base a un frente de ondas teórico de interés. Dicho software tendrá unas entradas (Z_{1}, Z_{2}, ... Z_{n}) provinentes del sensor (21), y unas entradas de control (Y_{1}, Y_{2}, ... Y_{n}) gestionadas por el bloque de control de la compensación (28). Dichas entradas de control (Y_{1}, Y_{2}, ... Y_{n}) representan las selecciones realizadas por el usuario (X_{1}, X_{2}, ... X_{n}), siendo dichas entradas (X_{1}, X_{2}, ... X_{n}) en el caso (a.) los coeficientes de Zernike, en el caso (b.) la posición y tamaño de la/s zona/s de interés, y en el caso (c.) la opción experimental o teórica. El citado bloque de control de la compensación (28), que está constituido por un software que controla el dispositivo, será el encargado de introducir en el modulador de fase de cristal líquido (18) la señal (U_{1}, U_{2}, ... U_{n}) que representa al frente de ondas invertido, para que el citado modulador de fase (18) realice la correspondiente compensación.The sensor (21) is also connected to an investment block (27) that is formed by an investment software that can: a.) Partially or totally reverse the wavefront, b.) Make said investment in the entire domain or only in certain subzones of the wavefront, and c.) make the aforementioned inversion in the measured wavefront of the complex lens or based on a theoretical wavefront of interest. This software will have inputs (Z_ {1}, Z_ {2}, ... Z_ {n}) from the sensor (21), and control inputs (Y_ {1}, Y_ {2}, ... Y_ {n}) managed by the compensation control block (28). Said control inputs (Y_ {1}, Y_ {2}, ... Y_ {n}) represent the selections made by the user (X_ {1}, X_ {2}, ... X_ {n}), said entries (X_ {1}, X_ {2}, ... X_ {n}) being in the case (a.) the Zernike coefficients, in the case (b.) the position and size of the zone (s) / s of interest, and in the case (c.) the experimental or theoretical option. The said compensation control block (28), which is constituted by software that controls the device, will be responsible for introducing the signal (U_ {1}, U_ {2) into the liquid crystal phase modulator (18). }, ... U_ {n}) which represents the inverted wavefront, so that said phase modulator (18) performs the corresponding compensation.
En particular referencia a la figura nº 2, en la misma se muestra mediante un diagrama de flujo el proceso de medida y compensación de un frente de ondas complejo de acuerdo con la invención. En primer lugar, el usuario selecciona (etapa "c") si se realiza la compensación con un frente teórico (etapa "d") o en base al medido experimentalmente (etapa "a").In particular reference to figure 2, in the the measurement process is shown by a flow chart and compensation of a complex wavefront according to the invention. First, the user selects (stage "c") if compensation is made with a theoretical front (stage "d") or based on the one measured experimentally (step "a").
En el caso de escoger la etapa "a", el bloque captador (25) del dispositivo (10) detectará las imágenes de lineas horizontales y verticales de referencia (etapa "a1"), y, posteriormente, al posicionar la lente compleja (14) (etapa "a2.1"), detectará las imágenes de lineas horizontales y verticales aberradas (etapa "a2.2"). Seguidamente, el bloque de reconstrucción (26) es el encargado de reconstruir tridimensionalmente el frente de ondas detectado y extraer algunos parámetros de relevancia asociados, como, por ejemplo, los coeficientes de Zernike (o eventualmente los puntos de control del B-spline), y el tamaño del dominio escaneado (etapa "a3"). A partir de este resultado ó de los valores conocidos de un frente teórico, el usuario seleccionará los coeficientes y la posición y tamaño de las subáreas a usar (etapa "b1") para la inversión del frente, que realiza el bloque de inversión (27) (etapa "b2"). Finalmente, el frente invertido en representación de mapa de fase plegado se introduce en el modulador de fase de cristal líquido (18) para que el mismo lo genere y compense, por tanto, el frente de ondas complejo inicial (etapa "b3").In the case of choosing stage "a", the sensor block (25) of the device (10) will detect the images of horizontal and vertical reference lines (stage "a1"), and subsequently, when positioning the complex lens (14 ) (stage "a2.1"), will detect the images of aberrated horizontal and vertical lines (stage "a2.2"). Next, the reconstruction block (26) is responsible for three-dimensionally reconstructing the detected wavefront and extracting some associated relevance parameters, such as, for example, Zernike coefficients (or possibly the B-spline control points), and the size of the scanned domain (step "a3"). From this result or from the known values of a theoretical front, the user will select the coefficients and the position and size of the subareas to be used (stage "b1") for the investment of the front, which performs the investment block (27 ) (stage "b2"). Finally, the inverted front representing a folded phase map is introduced into the liquid crystal phase modulator (18) so that it generates and compensates for it, therefore, the initial complex wave front (stage "b3").
En particular referencia al ensayo realizado con una lente comercial de adición progresiva (LAP) con longitud del corredor de 16 mm., potencia nula de lejos y 2 D de cerca, se muestran las imágenes de la intersección de lineas captadas por el sensor cilíndrico y la reconstrucción del frente transmitido, en las figuras nº 3a y 3b, respectivamente. La área escaneada de golpe es una área circular central de 20 mm. de diámetro, que, por tanto, contiene al corredor y parte de las zonas nasal y temporal de la lente. Las figuras nº 3c, 3d y 3e muestran los resultados de los mapas espaciales de potencia, isocilindro y eje medidos. Una vez se mide la lente por transmisión, a modo de ejemplo particular, se seleccionan todos los coeficientes de Zernike hallados -con excepción de los referentes a inclinaciones- para calcular el frente inverso en representación de mapa de fase plegado, tal y como muestra la figura nº 3f. Dicha señal se introduce en el modulador de fase activo (18), de tal modo que se compensa totalmente el frente de ondas inicialmente transmitido por la lente (14). La figura nº 3g muestra el patrón de lineas del frente de ondas resultante medido por el sensor (21) . En dicha imagen, se observa luz de varios órdenes de difracción superpuestos, principalmente el orden 0 y el orden 1. Debido a la naturaleza difractiva del modulador de fase (18), al estar generando un frente de ondas compensador tan aberrado, la eficiencia de difracción se reduce mucho; es decir, el orden 0 (que es la luz a la que no le afecta la modulación de fase (18)) es mucho más intenso que el orden 1 (que es el la luz modulada en fase o también llamado frente de ondas compensado). Una imagen de estas características es muy difícil de procesar automáticamente, por lo que un filtrado del indeseado orden 0 es necesario. Posicionando un filtro transmisor de la luz solo en eje (filtro antidifracción (20)), en la focal del primer doblete del sistema óptico reductor del dispositivo de compensación (10), se obtiene el patrón de lineas mostrado en el figura nº 3h, cuya reconstrucción tridimensional se muestra en la figura nº 3i.In particular reference to the test carried out with a commercial progressive addition lens (LAP) with runner length of 16 mm., Null power from far and 2 D from near, images of the intersection of lines captured by the cylindrical sensor are shown and the reconstruction of the transmitted front, in figures 3a and 3b, respectively. The scanned hit area is a central circular area of 20 mm. in diameter, which, therefore, contains the corridor and part of the nasal and temporal areas of the lens. Figures 3c, 3d and 3e show the results of the spatial maps of power, isocylinder and axis measured. Once the lens is measured by transmission, by way of a particular example, all Zernike coefficients found - with the exception of those related to inclinations - are selected to calculate the reverse front in representation of a folded phase map, as shown by the Figure 3f. Said signal is introduced into the active phase modulator (18), so that the wavefront initially transmitted by the lens (14) is fully compensated. Figure 3g shows the pattern of lines of the resulting wavefront measured by the sensor (21). In said image, light of several overlapping diffraction orders, mainly order 0 and order 1, is observed. Due to the diffractive nature of the phase modulator (18), as a so abrupt compensating wavefront is being generated, the efficiency of diffraction is greatly reduced; that is, the order 0 (which is the light that does not affect the phase modulation (18)) is much more intense than the order 1 (which is the light modulated in phase or also called offset wavefront) . An image of these characteristics is very difficult to process automatically, so filtering of the unwanted order 0 is necessary. By positioning a light transmitting filter only on the axis (anti-diffraction filter (20)), at the focal point of the first double of the optical reduction system of the compensation device (10), the line pattern shown in figure 3h is obtained, whose Three-dimensional reconstruction is shown in Figure 3i.
En particular referencia a la figura nº 4, los ensayos llevados a cabo con el dispositivo de compensación (10) de la invención demuestran la buena calidad de la respuesta del modulador de fase programable de cristal líquido para el ámbito de las lentes oftálmicas. El experimento consiste en escribir en el modulador de fase (18) -en representación de mapa de fase plegado sobre una área activa de cristal líquido de 20 mm. x 20 mm.- frentes de ondas esféricos de un amplio rango de curvaturas (0.25 D, 0.5 D, 1 D y 1.5 D), y medir con el sensor (21) los respectivos frentes de ondas salientes al incidirle un frente de ondas plano. Las diferencias entre los frentes reales creados por el modulador de fase (18) y los ideales escritos, cuantifican la calidad de la respuesta del modulador de fase (18), y, por tanto, permiten valorar su adecuación a la compensación en bucle abierto. En todos los casos, se han observado muy buenas correlaciones entre los frentes de ondas deseados y los reales (con un error máximo de 0.014 D, y errores relativos rms por debajo del 0.15%), véase tabla nº 1, quedando demostrada la bondad del modulador de fase programable para la compensación activa en bucle abierto en el ámbito de las lentes oftálmicas.In particular reference to Figure 4, the tests carried out with the compensation device (10) of the invention demonstrate the good quality of the response of the programmable phase modulator of liquid crystal for the field of ophthalmic lenses. The experiment consists in writing in the phase modulator (18) - representing a folded phase map on an active area of 20 mm liquid crystal. x 20 mm.- spherical wave fronts with a wide range of curvatures (0.25 D, 0.5 D, 1 D and 1.5 D), and measure with the sensor (21) the respective outgoing wave fronts when a flat wave front is affected . The differences between the real fronts created by the phase modulator (18) and the written ideals, quantify the quality of the response of the phase modulator (18), and, therefore, allow to assess its adequacy to the compensation in open loop. In all cases, very good correlations have been observed between the desired and real wave fronts (with a maximum error of 0.014 D, and relative errors rms below 0.15%), see table 1, demonstrating the goodness of the Programmable phase modulator for active open-loop compensation in the field of ophthalmic lenses.
Descrita suficientemente la presente invención en combinación con las figuras anexas, fácil es comprender que podrá introducirse en la misma cualesquiera modificaciones de detalle que se estimen convenientes, siempre y cuando no se altere la esencia de la misma que queda constreñida en las siguientes reivindicaciones.Suitably described the present invention in combination with the attached figures, it is easy to understand that you can be introduced therein any modifications of detail that deemed convenient, as long as the essence of the same that is constrained in the following claims.
Claims (22)
- --
- una fuente de luz puntual (11); a point light source (11);
- --
- un colimador óptico (12), adaptado para homogeneizar las trayectorias o rayos que emitidos por la fuente luminosa (11) salen en todas direcciones, de modo que se obtenga un conjunto de rayos paralelos; a optical collimator (12), adapted to homogenize the trajectories or rays emitted by the light source (11) come out in all directions, so that a set of rays is obtained parallel;
- --
- un polarizador lineal (13); a linear polarizer (13);
- --
- un elemento óptico complejo (14) colocado en posición frontal respecto a la dirección del frente de ondas entrante y, en el caso particular de ser una lente oftálmica progresiva además ligeramente inclinada para reproducir el ángulo pantoscópico natural de posicionamiento de la lente (14) para el usuario, estando ubicado dicho elemento óptico complejo (14) en un soporte mecánico (15) que está dotado de unos medios de posicionamiento adaptados para permitir el movimiento lineal y rotacional micrométrico en los tres ejes del coordenados del espacio;a complex optical element (14) placed in front position to the direction of the incoming wavefront and, in the particular case of being a progressive ophthalmic lens also slightly inclined to reproduce the natural pantoscopic angle of positioning of the lens (14) for the user, said optical element being located complex (14) in a mechanical support (15) which is provided with about positioning means adapted to allow movement linear and rotational micrometric in the three axes of the coordinate from space;
- --
- un primer divisor de haz de película delgada (17) dispuesto entre el elemento óptico complejo (14) y un modulador de fase activo (18), estando situado inclinado en un ángulo de 45º respecto a la dirección del frente de ondas entrante de modo que lo direccione hacia el modulador de fase activo (18);a first thin film beam splitter (17) disposed between the complex optical element (14) and an active phase modulator (18), being inclined at an angle of 45 ° with respect to the direction of the incoming wavefront so that it directs it towards the active phase modulator (18);
- --
- un modulador de fase activo (18) dispuesto en dirección perpendicular al frente de ondas inicial o ligeramente inclinado con un ángulo comprendido entre 0º y 2º en anchura respecto a la perpendicularidad, y que está adaptado para compensar total ó parcialmente el frente de ondas que le incide;a active phase modulator (18) arranged in perpendicular direction in front of initial waves or slightly inclined with an angle between 0º and 2º in width with respect to the perpendicularity, and that is adapted to compensate total or partially the wave front that affects it;
- --
- un sistema óptico afocal reductor (19), que está adaptado para conjugar ópticamente el modulador de fase activo (18) con un sensor de frentes de ondas (21), de modo que traslada y reduce en tamaño el frente de ondas resultado de la compensación, para ser medido por el sensor (21);a Afocal reducing optical system (19), which is adapted to conjugate optically the active phase modulator (18) with a sensor wave fronts (21), so that it moves and reduces in size the wavefront resulting from compensation, to be measured by the sensor (21);
- --
- un filtro óptico antidifracción (20) de densidad neutra con el centro transparente y haciéndose gradualmente oscuro hacia el borde, posicionado dentro del sistema óptico afocal reductor (19) cuando la modulación de fase sea de gran magnitud, que está adaptado para filtrar la luz no modulada en fase correspondiente al orden 0 de difracción que sale del modulador de fase activo de cristal líquido (18);a anti-diffraction optical filter (20) of neutral density with the center transparent and gradually becoming dark towards the edge, positioned within the afocal reducing optical system (19) when the phase modulation is of great magnitude, which is adapted for filter the unmodulated light in phase corresponding to the order 0 of diffraction leaving the active phase modulator of liquid crystal (18);
- --
- un segundo divisor de haz 50/50 de película delgada (22), que está adaptado para dividir el frente de ondas proveniente del modulador de fase activo (18) en dos réplicas iguales antes de entrar en el sensor (21);a second 50/50 thin film beam splitter (22), which is adapted to divide the wavefront from the modulator active phase (18) in two equal replicas before entering the sensor (21);
- --
- un sensor de frente de ondas (21) de muy elevado rango dinámico de medida, que está adaptado, junto con un sistema de reconstrucción asociado (26), para reconstruir en 3-dimensiones el frente de ondas entrante y obtener otras representaciones y parámetros característicos, tales como mapas de potencia esférica, astigmatismo y eje;a wavefront sensor (21) of very high dynamic range of measure, which is adapted, together with a reconstruction system associated (26), to reconstruct in 3-dimensions the incoming wavefront and get other representations and characteristic parameters, such as spherical power maps, astigmatism and axis;
- --
- un sistema de invesión (27) conectado al sensor (21), que comprende un software de inversión, que está adaptado para invertir parcial o totalmente el frente de ondas que ha sido medido por el sensor (21), y está conectado al modulador de fase activo (18) para enviarle el frente invertido y hacer así que el modulador (18) lo genere;an investment system (27) connected to the sensor (21), which comprises an inversion software , which is adapted to partially or totally reverse the wavefront that has been measured by the sensor (21), and is connected to the modulator of active phase (18) to send the inverted front and make the modulator (18) generate it;
- --
- un sistema de control (28), que controla los parámetros de inversión del frente de ondas captado por el sensor o diseñado teóricamente, que son los coeficientes de Zernike a invertir y el dominio del frente en el que realizar la inversión.a control system (28), which controls the inversion parameters of the wavefront captured by the sensor or theoretically designed, which are the Zernike coefficients to be inverted and the domain of the front in which to make the investment.
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
- a0) a0)
- Inicialmente (y en una única vez) se realiza un proceso de calibración del dispositivo óptico de compensación (10) de la 1ª reivindicación para conocer el ratio real entre la focal de las microlentes y el tamaño de pixel de las CCD's del sensor (21). Retirándose la lente colimadora (12) y sin colocar el elemento óptico complejo (14) y teniendo el modulador de fase activo (18) en modo apagado (o en modo encendido creando un frente plano), se mide el frente esférico "perfecto" creado por la fuente de luz puntual (11), según el mismo proceso descrito en los siguientes pasos "a1", "a2" y "a3" (como referencia se toma el frente plano con la lente colimadora insertada), y finalmente comparando la curvatura medida con la curvatura teórica conocida, se infiere el ratio real entre el tamaño de pixel de las CCD's y la focal de las microlentes.Initially (and only once) a calibration process of the optical compensation device (10) of the 1st claim is carried out to know the real ratio between the focal length of the microlenses and the pixel size of the sensor CCDs (21) . By removing the collimating lens (12) and without placing the complex optical element (14) and having the active phase modulator (18) in off mode (or in on mode creating a flat front), the "perfect" spherical front created is measured by the point light source (11), according to the same process described in the following steps "a1", "a2" and "a3" (as a reference the flat front is taken with the collimating lens inserted), and finally comparing the curvature measured with the known theoretical curvature, the real ratio between the pixel size of the CCD's and the focal length of the microlenses is inferred.
- a1) a1)
- Sin colocar el elemento óptico complejo (14) y con el modulador de fase activo (18) en modo apagado (o encendido creando un frente plano), se capta con el sensor (21) un frente de referencia plano: una imagen de lineas rectas horizontales y otra imagen de lineas rectas verticales.Without placing the complex optical element (14) and with the active phase modulator (18) in off (or on) mode creating a flat front), a front of flat reference: an image of horizontal straight lines and another image of vertical straight lines.
- a2) a2)
- Seguidamente, se coloca el elemento óptico complejo (14) en su posición y teniendo el modulador de fase activo (18) en modo apagado (o encendido creando un frente plano), se capta el frente de ondas aberrado que transmite: dos imágenes de lineas horizontales y verticales distorsionadas.Next, the complex optical element is placed (14) in position and having the active phase modulator (18) in off mode (or on creating a flat front), the aberrated wavefront that transmits: two line images Horizontal and vertical distorted.
- a3) a3)
- Mediante un algoritmo propio se procesan las imágenes captadas por el sensor (21) en las anteriores etapas "al" y "a2", para reconstruir el frente de ondas aberrado.Through an own algorithm, the images captured by the sensor (21) in the previous stages "al" and "a2", to rebuild the wavefront aberred
- \quadquad
- Según los parámetros de control seleccionados por el usuario (X_{1}, X_{2}, ... X_{n}), el software de control gestiona que la inversión del frente de ondas medido sea parcial o total, que la inversión se realice en todo el dominio del frente o solamente en determinadas subzonas de interés, o que se cree un frente de ondas teórico invertido conforme a los parámetros ideales de diseño. El frente invertido por parte de un software de inversión (o eventualmente el valor de los parámetros que lo conforman), será la entrada introducida en el modulador de fase activo (18) que generará, por consiguiente, esa compensación.According to the control parameters selected by the user (X_ {1}, X_ {2}, ... X_ {n}), the control software manages that the measured wavefront inversion is partial or total, that the investment it is carried out in the entire domain of the front or only in certain sub-areas of interest, or that an inverted theoretical wavefront is created according to the ideal design parameters. The inverted front by an investment software (or possibly the value of the parameters that comprise it), will be the input introduced in the active phase modulator (18) that will generate, therefore, that compensation.
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
- a3.1) a3.1)
- segmentación de las lineas, basada preferentemente en la aplicación del operador de detección de bordes de Canny y, posteriormente, operadores morfológicos de cierre;segmentation of the lines, preferably based on the application of the Canny edge detection operator and, subsequently, morphological closing operators;
- a3.2) a3.2)
- etiquetado de las lineas, que estarán formadas por píxeles 8-conectados con intensidad no nula;labeling of the lines, which will be formed by 8-connected pixels with intensity not null;
- a3.3) a3.3)
- intersección de lineas horizontales y verticales;intersection of horizontal lines and vertical
- a3.4) a3.4)
- cálculo de los centroides en direcciones ortogonales X e Y en las zonas de intersección;calculation of centroids in orthogonal directions X and Y in the intersection zones;
- a3.5) a3.5)
- cálculo de las pendientes locales del frente aberrado en direcciones ortogonales;calculation of local front slopes opened in orthogonal directions;
- a3.6) a3.6)
- reconstrucción del frente aberrado mediante el ajuste de las pendientes a la base circular de polinomios de Zernike, o a la base de polinomios de B-splines; yreconstruction of the aberred front by adjusting the slopes to the circular base of Zernike polynomials, or to the base of B-splines polynomials; Y
- a3.7) a3.7)
- en el caso particular de lentes oftálmicas progresivas (14), extracción de parámetros característicos de las mismas.in the particular case of ophthalmic lenses progressive (14), extraction of characteristic parameters of the same.
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| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20100330 Kind code of ref document: A1 |
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Ref document number: 2335637 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20110527 |