ES2363747A1 - Procedimiento de optica adaptativa parala medida y compensacion de aberraciones con un elemento optico reconfigurable y dispositivo para surealizacion. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de óptica adaptativa para la medida y compensación de aberraciones con un elemento óptico reconfigurable (1) en el que una zona (11) del elemento se utiliza como parte del subsistema de medida y otra zona (12) como parte del subsistema de compensación, evitando así la necesidad de utilizar dos elementos físicamente diferenciados para la realización de esas tareas. Como elemento óptico reconfigurable puede utilizarse cualquier elemento, componente o dispositivo óptico que permita introducir a voluntad cambios controlados, variables en el espacio y en el tiempo, en la amplitud, en la fase o en ambas cosas del haz de luz que incide sobre él, por ejemplo un modulador espacial de luz basado en una pantalla de cristal líquido.
Description
Procedimiento de óptica adaptativa para la
medida y compensación de aberraciones con un elemento óptico
reconfigurable y dispositivo para su realización.
La presente invención se refiere, tal y como su
enunciado indica, a un procedimiento de óptica adaptativa para la
medida y compensación de aberraciones con un elemento óptico
reconfigurable y a un dispositivo para su realización, utilizando
como elemento óptico reconfigurable un modulador espacial de luz de
cristal líquido.
La invención se dirige principalmente a los
sectores de instrumentación óptica, optoelectrónica, optométrica y
oftálmica, siendo de utilidad para aquellas aplicaciones en las que
se requiera medir y compensar las aberraciones ópticas de los haces
de luz producidas por defectos de los instrumentos o por la
propagación de la luz a través de diferentes tipos de medios
materiales, como son por ejemplo una atmósfera turbulenta o los
medios que forman el ojo humano.
La medida y compensación de aberraciones
ópticas, es decir, de los defectos introducidos en los frentes de
onda por las imperfecciones de los sistemas ópticos o por el paso de
la luz por medios no homogéneos, es una de las tareas claves para
multitud de aplicaciones en diversos campos de la ciencia y la
tecnología. Entre otras, es de especial interés para la obtención de
imágenes de alta resolución espacial en medicina y astronomía, para
la investigación básica y aplicada en óptica fisiológica y visión y
para el control de haces láser en sistemas ópticos de laboratorio,
industriales, de telecomunicaciones y clínicos. Dentro de los
dispositivos para la compensación de aberraciones se entiende por
"adaptativos" a aquellos que pueden medir y compensar
aberraciones variables en el tiempo, respondiendo así a las
diferentes deformaciones que puedan presentar los frentes de onda
incidentes sobre ellos.
En las últimas décadas se han desarrollado
dispositivos que permiten medir las aberraciones con gran velocidad
y fiabilidad, entre otros los sistemas de trazado de rayos con láser
(R. Navarro and E. Moreno-Barriuso, "Laser
ray-tracing method for optical testing" Opt.
Lett. 24, 951-953 (1999)), y los sensores de
gradiente de frente de ondas basados en el sistema clásico de
Hartmann (J. Hartmann, "Objektivuntersuchungen", Zeitschrift
für Instrumentenkunde XXIV 1-21 (enero), 3 y
34-47 (febrero), 7 y 98-117 (abril)
(1904)) como son, por ejemplo, los sensores tipo
Hartmann-Shack (R.V. Shack and B.C. Platt,
"Production and use of a lenticular Hartmann screen", Journal
of the Optical Society of America, vol 61, 656 (1971)). En estos
sensores el frente de ondas se muestrea mediante una pantalla con
subpupilas, que son orificios en los sensores Hartmann y microlentes
en los sensores Hartmann-Shack. La información sobre
las aberraciones del frente se obtiene procesando las distribuciones
de irradiancia de los haces que, tras propagarse una distancia en el
espacio desde cada subpupila, se miden con un detector de radiación,
habitualmente una cámara
CCD.
CCD.
La primera propuesta para la compensación
adaptativa de aberraciones producidas por la turbulencia de la
atmósfera, a fin de obtener imágenes astronómicas de alta resolución
espacial, se debe a Babcock (H. Babcock, "The Possibility of
Compensating Astronomical Seeing", Publications of the
Astronomical Society of the Pacific 65, No. 386,
229-236 (1953)). Según esa propuesta, las
aberraciones podrían compensarse deformando electrostáticamente una
fina capa de líquido depositada sobre la superficie de un espejo. El
sistema descrito por Babcock encontró ciertas dificultades técnicas
para su implementación, difíciles de superar en la época en la que
fue descrito. Sin embargo, en los últimos años la tecnología para la
compensación adaptativa de aberraciones ha experimentado notables
progresos. Los dispositivos y sistemas actualmente más utilizados se
basan en elementos reconfigurables como espejos deformables de
membrana, piezoeléctricos, o bimorfos (Eugenie Dalimier and Chris
Dainty, "Comparative analysis of deformable mirrors for ocular
adaptive optics", 30 May 2005/Vol. 13, No. 11/Optics Express
4275- 4285) o en moduladores espaciales de luz basados en diferentes
tipos de pantallas de cristal líquido, por ejemplo las TNLCD,
Twisted Nematic Liquid-Crystal Displays (V.
Climent, E. Tajahuerce, J. Lancis, V. Durán, S. Bará, J. Armes, Z.
Jaroszewicz, "Procedimiento para la compensación de aberraciones
ópticas mediante pantallas de cristal líquido tipo TNLCD y
dispositivo para su puesta en práctica", Solicitud de patente ES
2006 01631; Vicente Durán, Vicent Climent, Enrique Tajahuerce,
Zbigniew Jaroszewicz, Justo Armes and Salvador Bará, "Efficient
compensation of Zernike modes and eye aberration patterns using
low-cost spatial light modulators", Journal of
Biomedical Optics 12 (1), 014037 (January/February 2007) pp.
014037-1 to 014037-6).
Tal y como se ha descrito en las dos últimas
referencias, las pantallas de cristal líquido, trabajando con luz en
un adecuado estado de polarización y con la ayuda de polarizadores
y/o láminas de retardo de fase, permiten realizar transformaciones
controladas del campo electromagnético asociado a la luz que incide
sobre ellas, modulando su amplitud, su fase o ambas; lo que se
obtiene al aplicar a cada uno de los píxeles de la pantalla un
voltaje controlado por ordenador. En particular, mediante una
selección adecuada de los ángulos que forman los ejes de transmisión
de los polarizadores y los ejes propios de las láminas con el eje
director molecular de la pantalla TNLCD es posible obtener
parámetros de transmitancia casi constantes y el valor máximo del
rango dinámico de la modulación de fase.
Los dispositivos tradicionales de óptica
adaptativa utilizan dos subsistemas físicos distintos, constituidos
por componentes diferenciados, estando uno de los subsistemas
dedicado a la medida de las aberraciones y el otro a su
compensación. En una patente anterior (Salvador X. Bará Viñas, Jorge
Ares García, Justo Armes Piferrer, Zbigniew Jaroszewicz, Vicent
Climent Jordá, Enrique Ataúlfo Tajahuerce Romera, Vicente Andrés
Duran Bosch y Jesús Lancis Sáez, "Procedimiento adaptativo para la
medida y compensación de aberraciones ópticas y dispositivo para su
puesta en práctica", solicitud de patente ES 2007 00870) se han
descrito un procedimiento y un dispositivo para la medida y
compensación de aberraciones que utiliza un único elemento
reconfigurable como componente clave para ambos subsistemas (de
medida y compensación), funcionando alternativamente en el tiempo
como parte de uno y de otro y eliminando así la necesidad de
utilizar dos elementos distintos.
Es objeto de la presente patente un
procedimiento de óptica adaptativa y un dispositivo para su
realización que mejoran sustancialmente los descritos en la patente
ES 2007 00870, permitiendo realizar de forma simultánea y no
alternativa en el tiempo la medida y compensación de aberraciones
ópticas utilizando un único elemento reconfigurable, por ejemplo un
modulador de luz que utilice una pantalla de cristal líquido. De esa
forma se puede proceder a la medida y compensación de aberraciones
evitando la existencia de tiempos muertos, y se posibilita el
aprovechamiento del haz de luz -total o parcialmente corregido-
durante todo el ciclo de medida y compensación.
El procedimiento de óptica adaptativa aquí
descrito para la medida y compensación de aberraciones con un
elemento reconfigurable se basa en utilizar simultáneamente una zona
de la superficie activa del citado elemento para la medida de las
aberraciones del haz de luz y otra zona de la superficie activa del
mismo elemento para su compensación. Por "elemento
reconfigurable" se entiende en el presente documento cualquier
elemento, componente o dispositivo óptico que permita introducir a
voluntad cambios controlados, variables en el espacio y en el
tiempo, en la amplitud, en la fase o en ambas cosas del haz de luz
que incide sobre él. Un ejemplo de elemento reconfigurable son los
moduladores espaciales de luz basados en pantallas de cristal
líquido. Por "superficie activa" se entiende en el presente
documento la abertura útil del elemento reconfigurable, es decir, la
zona del mismo en la cual se pueden introducir los cambios de
amplitud y/o fase deseados.
A diferencia del procedimiento descrito en la
patente ES 2007 00870, en el que se utiliza la superficie activa del
elemento reconfigurable de forma secuencial en el tiempo para
efectuar las etapas de medida y compensación, el procedimiento aquí
descrito permite la realización simultánea de ambas operaciones, sin
necesidad de interrumpir el paso del haz de luz cuyas aberraciones
se desean corregir. Para ello una parte o zona de la superficie
activa del elemento se dedica a la compensación de las aberraciones
del haz de luz, mientras que otra parte o zona se dedica a su
medida, formando para ello sobre la zona de medida una imagen del
haz aberrado, con la ayuda de un sistema óptico convencional, que
puede comprender lentes, divisores de haz y/o espejos. Este
procedimiento adaptativo puede aplicarse tanto en configuración de
"lazo abierto" como de "lazo cerrado". En configuración de
lazo abierto se miden las aberraciones del haz de luz a la entrada
de la zona de compensación del elemento reconfigurable, antes de que
éste haya procedido a su compensación. En configuración de "lazo
cerrado" se miden las aberraciones del haz de luz a la salida de
la zona de compensación del elemento reconfigurable, después de que
éste haya procedido a su compensación. En esta última configuración
el sistema puede operar siguiendo un procedimiento iterativo,
midiendo y compensando las aberraciones residuales del haz de luz a
la salida de la zona de compensación.
La medida de aberraciones se efectúa mediante la
codificación en la zona de medida del elemento reconfigurable de una
matriz de microlentes que se utiliza como pantalla de muestreo de un
sensor de Hartmann-Shack, según cualquiera de los
procedimientos ya descritos en la solicitud de patente ES 2007 00870
o en la publicación de Justo Armes, Vicente Durán, Zbigniew
Jaroszewicz, Jorge Ares, Enrique Tajahuerce, Paula Prado, Jesús
Lancis, Salvador Bará and Vicent Climent, "Measurement and
compensation of optical aberrations using a single spatial light
modulator" (Optics Express, Vol. 15, No. 23,
15287-15292, 12 November 2007). El uso de elementos
reconfigurables para formar matrices de microlentes para la medida
de aberraciones, en vez utilizar las tradicionales microlentes
estáticas fabricadas en substratos de vidrio, permite entre otras
cosas modificar con gran flexibilidad las características de la
matriz (número de microlentes, focales de las mismas, distribución
en la pupila, etc) de forma óptima para adaptarlas a las
características de los haces de luz incidentes en el sistema. La
compensación de la aberración determinada a partir de las medidas
del sensor se efectúa mediante la codificación en la zona de
compensación del elemento reconfigurable de la aberración del haz
incidente cambiada de signo, de acuerdo con cualquiera de los
procedimientos usuales, en particular mediante los descritos en la
solicitud de patente o en la publicación mencionadas más arriba en
este mismo párrafo.
Como es obvio, la compensación de las
aberraciones según el presente procedimiento no necesariamente tiene
que ser realizada en su totalidad por el elemento reconfigurable. En
combinación con él pueden utilizarse uno o más componentes
accesorios, como por ejemplo elementos ópticos convencionales,
refractivos, difractivos o híbridos, que se encarguen de compensar
toda o parte de la aberración constante que presenta el haz. Un
ejemplo de ellos son los descritos en la solicitud de patente ES
2000 00335 (Bará Viñas, Salvador; Mancebo López, Teresa; Navarro
Belsué, Rafael, "Láminas de fase compensadoras de aberraciones
oculares de alto y bajo orden" número de publicación ES2163369,
BOPI 1 de marzo de 2003). De esta forma el elemento reconfigurable
sólo debe compensar en cada momento la parte de la aberración no
compensada por los componentes accesorios, lo cual conlleva una
reducción, en algunos casos muy notable, del rango dinámico exigido
al citado elemento reconfigurable.
Las ventajas derivadas de la utilización de
elementos reconfigurables para la medida de aberraciones mediante
sensores Hartmann-Shack han sido descritas con
anterioridad (ver solicitud de patente ES 2007 00870).
Al ser el procedimiento descrito en esta
invención un procedimiento no secuencial que utiliza diferentes
zonas del elemento reconfigurable para la medida y compensación de
la aberración, no es necesario interrumpir el paso del haz de luz
-total o parcialmente corregido- para proceder a la medida de la
misma.
El dispositivo descrito en esta invención para
la realización de este procedimiento comprende una pantalla de
cristal líquido con los componentes adicionales necesarios para su
uso como modulador espacial de luz en configuración de amplitud, de
fase o mixta, y de los componentes ópticos convencionales necesarios
para formar sobre la zona de medida de la pantalla una imagen de la
pupila del haz cuyas aberraciones se desea corregir.
Este procedimiento puede ser implementado
utilizando un dispositivo que comprenda un elemento reconfigurable
pixelado, como son la mayoría de moduladores de luz que contienen
pantallas de cristal líquido, caso en el que resulta ventajoso
utilizar un subsistema adicional de filtrado espacial para eliminar
los haces de luz difractados no deseados que origina la estructura
periódica del pixelado.
Para garantizar un correcto acoplamiento de la
fase desde el plano en el que se encuentra el haz aberrado hasta el
elemento reconfigurable y desde éste hasta la pupila de entrada del
sistema en el que se desee introducir el haz corregido de
aberración, es conveniente utilizar pares de lentes en configuración
afocal -es decir, acopladas foco a foco- que, a la vez que hacen
posible el citado acoplamiento sin introducir fases adicionales,
permiten obtener distintos aumentos (dados por el cociente de sus
distancias focales) adaptando así los tamaños de las
correspondientes pupilas.
Es asimismo claro que cualquiera de las lentes
utilizadas en este dispositivo puede fabricarse con las tecnologías
actualmente disponibles como elemento refractivo, difractivo o
híbrido; y que puede ser reemplazada por un elemento reflectante
(espejo convencional u holográfico) de equivalentes características
focales, plegando así el camino óptico recorrido por la luz. La
elección entre estas diferentes opciones representa variaciones
obvias sobre la idea original y no varía el contenido esencial de la
invención que se protege mediante esta invención.
Para complementar la descripción que se está
realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las
características del invento, de acuerdo con varios ejemplos
preferentes de realización práctica del mismo, se acompaña como
parte integrante de dicha descripción un juego de dibujos en donde,
con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo
siguiente:
La Figura 1 muestra un diagrama de bloques
básico de un dispositivo que permite poner en práctica el
procedimiento descrito en esta invención, en la configuración de
"lazo cerrado".
La Figura 2 es el diagrama de bloques básico de
una variante del dispositivo anterior que permite poner en práctica
el procedimiento descrito en esta invención, en la configuración de
"lazo cerrado".
La Figura 3 es el diagrama de bloques básico
correspondiente al dispositivo que permite poner en práctica el
procedimiento descrito en esta invención, en la configuración de
"lazo abierto".
La Figura 4 es una representación en niveles de
gris de las señales típicas enviadas a la zona de medida y a la zona
de compensación del elemento reconfigurable.
La Figura 5 muestra el diagrama de bloques de un
dispositivo que permite poner en práctica el procedimiento descrito
en esta invención, utilizando un elemento reconfigurable que
funciona por transmisión.
La Figura 6 muestra el diagrama de bloques de un
dispositivo que permite poner en práctica el procedimiento descrito
en esta invención, utilizando un elemento reconfigurable que
funciona por reflexión.
La Figura 7 muestra el diagrama de bloques de un
dispositivo que es una variante del descrito en la figura anterior,
y en el que el elemento reconfigurable se utiliza haciendo incidir
sobre él la luz en una dirección ligeramente inclinada respecto a la
normal, permitiendo así eliminar una serie de componentes que son
necesarios en caso de iluminación perpendicular.
En estas figuras, las flechas de trazo continuo
representan el camino seguido por los haces de luz, mientras que las
flechas de trazo discontinuo corresponden a los enlaces electrónicos
por los que se transmiten las señales de medida y control de los
dispositivos.
En la Figura 1 se presenta el diagrama de
bloques genérico de un dispositivo que permite poner en práctica el
procedimiento descrito en la configuración de lazo cerrado. En ella
se muestra un haz aberrado (A) que incide sobre el elemento
reconfigurable (1), por ejemplo un modulador espacial de luz de
cristal líquido, en la zona del mismo dedicada a la compensación de
la aberración (12), dando lugar al haz corregido (C); medios ópticos
(2) para extraer una réplica (M) del haz corregido (C) y medios
ópticos (3) para formar una imagen de este haz (M) sobre la zona del
elemento reconfigurable (1) reservada para la medida de la
aberración (11), en la que se codifican por ejemplo las microlentes
de un sensor Hartmann-Shack; medios (4) para
detectar la distribución de irradiancia de las regiones focales de
las citadas microlentes, y medios (5) para procesar los datos de las
citadas distribuciones de irradiancia, calcular sus centroides,
determinar la aberración residual del haz corregido (M) y controlar
el elemento reconfigurable para compensar esta aberración residual.
Este dispositivo es de lazo cerrado porque la zona de medida del
elemento reconfigurable (11) se utiliza para determinar la
aberración residual del haz (C), que es el haz inicial (A) después
de su corrección por el elemento reconfigurable (1).
La Figura 2 muestra el diagrama de bloques
genérico de una variante del dispositivo mostrado en la Figura 1 y
que permite poner en práctica el procedimiento descrito en la
configuración de lazo cerrado. En ella se muestra un haz aberrado
(A) que incide sobre el elemento reconfigurable (1), en la zona del
mismo dedicada a la compensación de la aberración (12); medios
ópticos (6) para invertir el sentido del haz que emerge del elemento
(1); medios ópticos (2) para extraer una réplica (M) del haz
corregido (C), de tal forma que la réplica (M) penetra en la zona
del elemento (1) dedicada a la medida de la aberración (11) por la
cara opuesta a aquélla por la que penetra el haz (A), precediéndose
así a la medida de la aberración y posterior procesado de datos
mediante el detector (4) y los medios de procesado (5). De nuevo,
este dispositivo es de lazo cerrado porque la zona de medida del
elemento reconfigurable (11) se utiliza para determinar la
aberración residual del haz (C), que es el haz inicial (A) después
de su corrección por el elemento reconfigurable (1).
El diagrama de bloques básico de la versión en
lazo abierto del dispositivo anterior es el indicado en la Figura 3.
En este modo de realización, el dispositivo comprende medios (2)
para extraer una réplica (M) del haz inicial aberrado (A) antes de
que éste sea corregido por la zona de corrección (12) del elemento
reconfigurable (1), y medios (3) para formar una imagen de esta
réplica (M) sobre la zona de medida (11) del elemento reconfigurable
(1), procediéndose a la medida de la aberración y al procesado de
datos mediante el detector (4) y los medios de procesado (5), y a la
codificación de la correspondiente corrección en la zona de
corrección (12) del elemento reconfigurable (1) para así obtener un
haz corregido de aberración (C).
En ambos casos, la codificación de la fase en la
zona de elemento dedicada a la medida de aberraciones (11) y en la
dedicada a su compensación (12) puede hacerse ventajosamente
mediante un esquema en N niveles de fase discretos, ya descrito en
detalle en las referencias y patentes mencionadas más arriba, como
el representado en la Figura 4, que es un ejemplo concreto de
implementación de una matriz de microlentes difractivas para la zona
de medida (11) y de una fase para la zona de compensación (12) en el
que se utilizan cuatro niveles de fase equiespaciados, aquí
representados en niveles de gris.
La Figura 5 muestra un modo de realización de
este dispositivo, en lazo cerrado, utilizando un elemento
reconfigurable (1) que funciona por transmisión, y en el que los
medios ópticos (3) para formar una imagen de la réplica (M) del haz
corregido (C) sobre la zona del elemento reconfigurable reservada
para la medida de la aberración (11) comprenden tres espejos planos
(31, 32, 34) para redireccionar el haz y una lente convergente (33)
corregida de aberración para formar en (11) la imagen de (12). Como
es obvio, la lente (33) puede ser substituida muy ventajosamente por
un par de lentes acopladas foco a foco (no mostradas en el esquema),
para que la imagen en (11) sea una réplica exacta de la distribución
de amplitud del campo electromagnético de la luz en (12), sin la
presencia de fases adicionales. Los medios (4) para detectar la
distribución de irradiancia de las regiones focales de las citadas
microlentes comprenden una lente objetivo (42) para hacer una imagen
de la región focal de las microlentes codificadas en (11) sobre la
zona sensible de una cámara CCD (41), cuya señal se procesa en un
ordenador (5) para cerrar el lazo de control.
En una implementación particular de este
dispositivo, a modo de ejemplo, se utilizan, con sus
correspondientes soportes optomecánicos, componentes con las
siguientes características técnicas:
- (1):
- Modulador espacial de luz constituido por dos polarizadores lineales montados preferentemente sobre soportes rotatorios de 5 cm de diámetro, dos láminas de retardo de fase de cuarto de onda y orden 0 para la longitud de onda central del haz que se desea corregir, preferentemente montadas asimismo sobre soportes rotatorios de 5 cm de diámetro y una pantalla de cristal líquido tipo TNLCD (Twisted-Nematic Liquid Crystal Display), que para operar con luz de longitud de onda 514 nm tendrá preferentemente unas características tales como un giro molecular \alpha=-1.594 rad, birrefringencia máxima a 514 nm de \beta=2.92 rad, orientación del director molecular respecto al eje vertical = 0.792 rad, con 832 x 624 píxeles de 26.7 micras por 21.3 micras, siendo el periodo entre píxeles de 32 micras tanto en horizontal como en vertical, y un tamaño total de 2.8 cm por 2.1 cm, colocando los polarizadores lineales con sus ejes de transmisión orientados según los ángulos -25º para el primer polarizador y -51º para el segundo; y las láminas de retardo de fase con sus ejes lentos orientados según los ángulos -28º para la primera lámina y 17º para la segunda; todos ellos medidos con respecto al eje horizontal del sistema de referencia que tiene su eje X orientado en la dirección del director molecular a la entrada de la pantalla TNLCD.
- (2):
- Divisor de haz cúbico de 2.54 cm de lado
- (31), (32) y (34):
- Espejos de primera superficie de 2.54 cm de lado
- (33):
- Doblete acromático de 2.54 cm de diámetro y 15 cm de distancia focal, ventajosamente substituible por un par de dobletes del mismo diámetro y 10 cm de distancia focal acoplados foco a foco, en cuyo plano focal común se introduce un diafragma para efectuar el filtrado espacial de los órdenes de difracción no deseados producidos por la estructura pixelada de la pantalla TNLCD y por la codificación de la fase de compensación en un conjunto de niveles discretos.
- (41):
- Cámara CCD de barrido progresivo
- (42):
- Lente convergente bien corregida de distorsión o objetivo de cámara.
- (5):
- Ordenador.
En otro modo de realización de la invención,
mostrado en la Figura 6, se utiliza como elemento reconfigurable (1)
un módulo basado en una pantalla de cristal líquido funcionando por
reflexión, lo cual permite obtener modulaciones de fase más
profundas. En este caso, se incorporan al sistema descrito en el
modo de realización anterior otros dos divisores de haz (22) y (23),
que posibilitan el redireccionamiento de los haces luminosos para
adaptar el sistema a esta geometría. Dado que los divisores
conllevan un cierto nivel de pérdidas energéticas, un modo de
realización alternativo por reflexión es el representado en la
Figura 7, en la que los haces de luz se hacen incidir con una
pequeña inclinación sobre el elemento reconfigurable, y se aprovecha
la separación espacial producida por su diferente dirección de
propagación.
Como es obvio, los sistemas descritos en estos
modos de realización pueden complementarse con la inclusión de
elementos compensadores de aberraciones estáticas, a fin de reducir
el rango dinámico de modulación de fase exigido al elemento
reconfigurable. Asimismo, pueden incluirse opcionalmente módulos
adicionales de filtrado espacial totalmente convencionales en
óptica, como los basados en sistemas de lentes acoplados foco a foco
que contienen diafragmas en el plano focal común. Asimismo, la zona
de compensación (12) del elemento reconfigurable (1) puede
utilizarse para compensar no solamente las aberraciones del haz de
luz, sino también las aberraciones inducidas por todos los elementos
ópticos, de cualquier tipo, situados antes de la misma.
Claims (33)
1. Procedimiento de óptica adaptativa para la
medida y compensación de aberraciones con un elemento óptico
reconfigurable (1), caracterizado por utilizar una zona (11)
del citado elemento como parte del subsistema de medida, actuando
como sensor de frente de ondas de tipo Hartmann o
Hartmann-Shack, y otra zona (12) como parte del
subsistema de compensación, a fin de obtener un haz (C) corregido de
aberración.
2. Procedimiento de óptica adaptativa para la
medida y compensación de aberraciones con un elemento óptico
reconfigurable (1), según la reivindicación 1, caracterizado
por medir y compensar las aberraciones en lazo cerrado haciendo uso
de un subsistema de medida que comprende medios (2) para extraer una
réplica (M) del haz de luz después de pasar por la zona de
compensación (12) del elemento reconfigurable (1), medios (3) para
formar una imagen de este haz sobre la zona de medida (11), medios
(4) para detectar la radiación procedente de la zona de medida (11)
y medios (5) para el procesado de estos datos y el control del
elemento reconfigurable (1).
3. Procedimiento de óptica adaptativa para la
medida y compensación de aberraciones con un elemento óptico
reconfigurable (1), según la reivindicación 1, caracterizado
por medir y compensar las aberraciones en lazo abierto haciendo uso
de un subsistema de medida que contiene medios (2) para extraer una
réplica (M) del haz de luz antes de incidir sobre la zona de
compensación (12) del elemento reconfigurable (1), medios (3) para
formar una imagen de este haz sobre la zona de medida (11), medios
(4) para detectar la radiación procedente de la zona de medida y
medios (5) para el procesado de estos datos y el control del
elemento reconfigurable (1).
4. Procedimiento de óptica adaptativa para la
medida y compensación de aberraciones con un elemento óptico
reconfigurable (1), según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado por utilizar el elemento
reconfigurable (1) para compensar no sólo las aberraciones del
sistema óptico al que se aplica, sino también aquellas producidas
por los componentes ópticos que constituyen el propio elemento
reconfigurable (1) y sus componentes accesorios.
5. Procedimiento de óptica adaptativa para la
medida y compensación de aberraciones con un elemento óptico
reconfigurable (1), según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado por utilizar en combinación con el
elemento reconfigurable (1), uno o más componentes ópticos estáticos
o dinámicos, refractivos, difractivos o híbridos, cuyo papel es
compensar parte de la aberración que se desea corregir, disminuyendo
así la cantidad de aberración que debe compensar dicho elemento
reconfigurable (1).
6. Procedimiento de óptica adaptativa para la
medida y compensación de aberraciones con un elemento óptico
reconfigurable (1), según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque la zona de medida de
aberración (11) del elemento reconfigurable (1), contiene subpupilas
para el muestreo del haz y funciona como un sensor de gradiente del
frente de ondas tipo Hartmann, en el que las subpupilas de muestreo
son aberturas, o como un sensor Hartmann-Shack, en
el que las subpupilas de muestreo son microlentes, obteniéndose la
medida de la aberración del haz (A) a partir de las modificaciones
sufridas por las distribuciones de luz producidas por las subpupilas
de muestreo del haz.
7. Procedimiento de óptica adaptativa para la
medida y compensación de aberraciones con un elemento óptico
reconfigurable (1), según la reivindicación 6, caracterizado
porque las propiedades de las subpupilas de muestreo se modifican
para adaptar su posición, tamaño, número, geometría, distancia focal
y eficiencia difractiva a las particulares características del
frente de ondas cuya aberración se desea medir.
8. Procedimiento de óptica adaptativa para la
medida y compensación de aberraciones con un elemento óptico
reconfigurable (1), según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado por introducir en cada píxel del
elemento reconfigurable (1) la fase nominal necesaria para la
generación de microlentes en la zona de medida (11) y para la
compensación de la aberración en la zona de compensación (12).
9. Procedimiento de óptica adaptativa para la
medida y compensación de aberraciones con un elemento óptico
reconfigurable (1), según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque una vez determinada la fase
nominal que se debería introducir en el elemento reconfigurable (1)
tanto en la zona de medida (11) como en la de compensación (12) se
procede a introducir en cada píxel una fase igual al resto de
dividir la correspondiente fase nominal por 2\pi, de forma que la
fase introducida en cada píxel está siempre comprendida entre 0 y
2\pi.
10. Procedimiento de óptica adaptativa para la
medida y compensación de aberraciones con un elemento óptico
reconfigurable (1), según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque una vez determinada la fase
nominal que se debería introducir en cada píxel del elemento
reconfigurable (1) tanto en la zona de medida (11) como en la de
compensación (12) se procede a introducir en cada píxel una fase
elegida entre N posibles niveles discretos igualmente espaciados
entre 0 y 2\pi, definidos por
(n-1)2\pi/N, siendo n un número entero
entre 1 y N, de forma que la fase introducida en cada píxel sea la
más próxima al resto de dividir la fase nominal por 2 \pi.
11. Procedimiento de óptica adaptativa para la
medida y compensación de aberraciones con un elemento óptico
reconfigurable (1), según cualquiera de las reivindicaciones
anteriores, caracterizado porque el elemento óptico
reconfigurable (1) actúa por transmisión.
12. Procedimiento de óptica adaptativa para la
medida y compensación de aberraciones con un elemento óptico
reconfigurable (1), según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10,
caracterizado porque el elemento óptico reconfigurable (1)
actúa por reflexión.
13. Dispositivo para la puesta en práctica del
procedimiento de óptica adaptativa para la medida y compensación de
aberraciones con un elemento óptico reconfigurable (1), descrito en
las reivindicaciones anteriores, que comprende un subsistema de
medida y un subsistema de compensación de la aberración del haz
incidente (A), caracterizado por utilizar un elemento óptico
reconfigurable (1) de forma que una zona (11) del mismo actúa como
parte del subsistema de medida de aberraciones, actuando como sensor
de frente de ondas de tipo Hartmann o
Hartmann-Shack, y otra zona (12) actúa como
compensadora de las mismas, a fin de obtener un haz corregido (C) de
mejores características
ópticas.
ópticas.
14. Dispositivo para la puesta en práctica del
procedimiento de óptica adaptativa para la medida y compensación de
aberraciones con un elemento óptico reconfigurable (1), según la
reivindicación 13, caracterizado porque en la zona del
elemento reconfigurable (1) reservada para la medida de la
aberración (11) se codifican las microlentes de un sensor
Hartmann-Shack cuyo número, tamaños y distancias
focales pueden variarse para adaptase mejor a la medida del frente
incidente.
15. Dispositivo para la puesta en práctica del
procedimiento de óptica adaptativa para la medida y compensación de
aberraciones con un elemento óptico reconfigurable (1), según la
reivindicaciones 13 o 14, caracterizado porque comprende
medios (4) para detectar la distribución de irradiancia en un plano
o planos situados detrás de la zona de medida (11), y medios (5)
para procesar los datos de la citada distribución de irradiancia, a
fin de determinar la aberración del haz.
16. Dispositivo para la puesta en práctica del
procedimiento de óptica adaptativa para la medida y compensación de
aberraciones con un elemento óptico reconfigurable (1), según
cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, caracterizado
porque los medios (4) para detectar la distribución de irradiancia
comprenden un detector de radiación tipo CCD
(Charge-Coupled Device) o CMOS (Complementary Metal
Oxide Semiconductor).
17. Dispositivo para la puesta en práctica del
procedimiento de óptica adaptativa para la medida y compensación de
aberraciones con un elemento óptico reconfigurable (1), según
cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, caracterizado
porque actúa en configuración de lazo cerrado, comprendiendo un
elemento reconfigurable (1), sobre el que se hace incidir, en la
zona del mismo dedicada a la compensación de la aberración (12), el
haz (A) cuya aberración se desea compensar, dando lugar al haz
corregido (C); medios ópticos (2) para extraer una réplica (M) del
haz corregido (C) y medios ópticos (3) para formar una imagen de
este haz (M) sobre la zona del elemento reconfigurable (1) reservada
para la medida de la aberración (11).
18. Dispositivo para la puesta en práctica del
procedimiento de óptica adaptativa para la medida y compensación de
aberraciones con un elemento óptico reconfigurable (1), según la
reivindicación 17, caracterizado porque los medios ópticos
(3) para formar una imagen de la réplica (M) del haz corregido (C)
sobre la zona del elemento reconfigurable reservada para la medida
de la aberración (11) comprenden espejos planos (31, 32, 34) para
redireccionar el haz y una lente convergente (33) corregida de
aberración para formar en (11) la imagen de (12).
19. Dispositivo para la puesta en práctica del
procedimiento de óptica adaptativa para la medida y compensación de
aberraciones con un elemento óptico reconfigurable (1), según la
reivindicación 18, caracterizado porque la lente (33) es
substituida por un par de lentes acopladas foco a foco, para que la
imagen formada en (11) sea una réplica exacta de la distribución de
amplitud del campo electromagnético de la luz en (12), sin la
presencia de fases adicionales.
20. Dispositivo para la puesta en práctica del
procedimiento de óptica adaptativa para la medida y compensación de
aberraciones con un elemento óptico reconfigurable (1), según
cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, caracterizado por
actuar en configuración de lazo cerrado, comprendiendo un elemento
reconfigurable (1), sobre el que se hace incidir, en la zona del
mismo dedicada a la compensación de la aberración (12), el haz (A)
cuya aberración se desea compensar; medios ópticos (6) para invertir
el sentido del haz (A); y medios ópticos (2) para extraer una
réplica (M) del haz corregido (C), de tal forma que el haz (M)
incide en la zona del elemento reconfigurable (1) dedicada a la
medida de la aberración (11) y lo hace por la cara opuesta a aquélla
por la que penetra el haz aberrado
(A).
(A).
21. Dispositivo para la puesta en práctica del
procedimiento de óptica adaptativa para la medida y compensación de
aberraciones con un elemento óptico reconfigurable (1), según
cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, caracterizado
porque actúa en configuración de lazo abierto, comprendiendo medios
(2) para extraer una réplica (M) del haz inicial aberrado (A) antes
de que éste sea corregido por la zona de corrección (12) del
elemento reconfigurable (1), y medios (3) para formar una imagen de
esta réplica (M) sobre la zona de medida (11) del elemento
reconfigurable (1).
22. Dispositivo para la puesta en práctica del
procedimiento de óptica adaptativa para la medida y compensación de
aberraciones con un elemento óptico reconfigurable (1), según
cualquiera de las reivindicaciones 13 a 21, caracterizado
porque el elemento reconfigurable (1) que se utiliza para la medida
y compensación de aberraciones comprende una pantalla de cristal
líquido.
23. Dispositivo para la puesta en práctica del
procedimiento de óptica adaptativa para la medida y compensación de
aberraciones con un elemento óptico reconfigurable (1), según la
reivindicación 22, caracterizado porque la pantalla de
cristal líquido es del tipo TNLCD
(Twisted-Nematic Liquid Crystal Display).
24. Dispositivo para la puesta en práctica del
procedimiento de óptica adaptativa para la medida y compensación de
aberraciones con un elemento óptico reconfigurable (1), según las
reivindicaciones 22 o 23, caracterizado porque se aplica a
cada píxel de la pantalla de cristal líquido el nivel de voltaje
adecuado para modificar su birrefringencia de forma tal que en cada
píxel se induce un cambio del estado de polarización de la onda
incidente, cambio de estado que da lugar, en combinación con un
polarizador y una lámina de cuarto de onda situados delante de la
pantalla y otra lámina de cuarto de onda y polarizador situados
después de ella al cambio de fase adecuado en cada píxel para
codificar sobre la zona de medida (11) las subpupilas del sensor y
sobre la zona de compensación (12) la fase correctora de la
aberración.
25. Dispositivo para la puesta en práctica del
procedimiento de óptica adaptativa para la medida y compensación de
aberraciones con un elemento óptico reconfigurable (1), según la
reivindicación 24, caracterizado porque se prescinde de la
lámina de retardo de fase y/o del polarizador situados delante de la
pantalla de cristal líquido.
26. Dispositivo para la puesta en práctica del
procedimiento de óptica adaptativa para la medida y compensación de
aberraciones con un elemento óptico reconfigurable (1), según
cualquiera de las reivindicaciones 13 a 25, caracterizado
porque comprende medios ópticos adecuados para eliminar o atenuar
los órdenes de difracción no deseados producidos por la estructura
pixelada del elemento reconfigurable (1), si la tuviere, y por el
procedimiento utilizado para codificar la fase en la misma.
27. Dispositivo para la puesta en práctica del
procedimiento de óptica adaptativa para la medida y compensación de
aberraciones con un elemento óptico reconfigurable (1), según
cualquiera de las reivindicaciones 13 a 26, caracterizado
porque comprende, con sus correspondientes soportes optomecánicos,
componentes con las siguientes características técnicas:
- (1):
- Modulador espacial de luz constituido por una pantalla de cristal líquido tipo TNLCD (Twisted-Nematic Liquid Crystal Display), que para operar con luz de longitud de onda 514 nm tendrá preferentemente unas características tales como un giro molecular \alpha=-1.594 rad, birrefringencia máxima a 514 nm de \beta=2.92 rad, orientación del director molecular respecto al eje vertical = 0.792 rad, con 832 x 624 píxeles de 26.7 micras por 21.3 micras, siendo el periodo entre píxeles de 32 micras tanto en horizontal como en vertical, y un tamaño total de 2.8 cm por 2.1 cm, junto con dos polarizadores lineales montados preferentemente sobre soportes rotatorios de 5 cm de diámetro y dos láminas de retardo de fase de cuarto de onda y orden 0 para la longitud de onda central del haz que se desea corregir, preferentemente montadas asimismo sobre soportes rotatorios de 5 cm de diámetro, colocando los polarizadores lineales con sus ejes de transmisión orientados según los ángulos -25º para el primer polarizador y -51º para el segundo; y las láminas de retardo de fase con sus ejes lentos orientados según los ángulos -28º para la primera lámina y 17º para la segunda; todos ellos medidos con respecto al eje horizontal del sistema de referencia que tiene su eje X orientado en la dirección del director molecular a la entrada de la pantalla TNLCD.
- (2):
- Divisor de haz cúbico de 2.54 cm de lado
- (31), (32) y (34):
- Espejos de primera superficie de 2.54 cm de lado
- (33):
- Doblete acromático de 2.54 cm de diámetro y 15 cm de distancia focal, ventajosamente substituible por un par de dobletes del mismo diámetro y 10 cm de distancia focal acoplados foco a foco, en cuyo plano focal común se introduce un diafragma para efectuar el filtrado espacial de los órdenes de difracción no deseados producidos por la estructura pixelada de la pantalla TNLCD y por la codificación de la fase de compensación en un conjunto de niveles dis- cretos.
- (41):
- Cámara CCD de barrido progresivo
- (42):
- Lente convergente bien corregida de distorsión o objetivo de cámara.
- (5):
- Ordenador.
28. Dispositivo para la puesta en práctica del
procedimiento de óptica adaptativa para la medida y compensación de
aberraciones con un elemento óptico reconfigurable (1), según
cualquiera de las reivindicaciones 13 a 27, caracterizado por
utilizar un elemento reconfigurable (1) que funciona por reflexión
en vez de por transmisión.
29. Dispositivo para la puesta en práctica del
procedimiento de óptica adaptativa para la medida y compensación de
aberraciones con un elemento óptico reconfigurable (1), según la
reivindicación 28, caracterizado por utilizar adicionalmente
dos divisores de haz (22) y (23), que posibilitan el
redireccionamiento de los haces luminosos para adaptar el sistema a
esta geometría.
30. Dispositivo para la puesta en práctica del
procedimiento de óptica adaptativa para la medida y compensación de
aberraciones con un elemento óptico reconfigurable (1), según la
reivindicación 28, caracterizado por hacer incidir el haz con
una pequeña inclinación sobre el elemento reconfigurable (1),
aprovechando la separación espacial producida por su diferente
dirección de propagación y evitando así el uso de los divisores de
haz (22) y (23).
31. Dispositivo para la puesta en práctica del
procedimiento de óptica adaptativa para la medida y compensación de
aberraciones con un elemento óptico reconfigurable (1), según
cualquiera de las reivindicaciones 13 a 30, caracterizado
porque comprende elementos ópticos estáticos, refractivos,
difractivos o híbridos, para compensar toda o parte de la
aberración, a fin de reducir el rango dinámico de modulación de fase
exigido al elemento reconfigurable (1).
32. Dispositivo para la puesta en práctica del
procedimiento de óptica adaptativa para la medida y compensación de
aberraciones con un elemento óptico reconfigurable (1), según
cualquiera de las reivindicaciones 13 a 31, caracterizado
porque comprende uno o varios módulos adicionales de filtrado
espacial, como los constituidos por sistemas de lentes acoplados
foco a foco que contienen diafragmas en el plano focal común, para
eliminar o atenuar los órdenes difractados no deseados producidos
por la red de píxeles de elemento reconfigurable (1) o por los
métodos utilizados para codificar la fase en el mismo.
33. Dispositivo para la puesta en práctica del
procedimiento de óptica adaptativa para la medida y compensación de
aberraciones con un elemento óptico reconfigurable (1), según
cualquiera de las reivindicaciones 13 a 32, caracterizado
porque una o más de las lentes que contiene el mismo se sustituyen
por espejos de la misma distancia focal que aquéllas.
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| ES201000116A ES2363747B1 (es) | 2010-02-02 | 2010-02-02 | Procedimiento de optica adaptativa parala medida y compensacion de aberraciones con un elemento optico reconfigurable y dispositivo para surealizacion |
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