WO2006070037A2 - Interferómetro de difracción por orificio, ido, para inspección y medida de componentes ópticos oftálmicos. - Google Patents

Interferómetro de difracción por orificio, ido, para inspección y medida de componentes ópticos oftálmicos. Download PDF

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    • G01M11/0271—Testing optical properties by measuring geometrical properties or aberrations by using interferometric methods

Definitions

  • the invention consists of a hole diffraction interferometer for inspection, analysis and measurement of the optical properties of different ophthalmic optical components, such as lenses, rigid and soft contact lenses, intraocular lenses, etc.
  • the interferometer serves to measure the point-to-point variation of the power of the components to be characterized.
  • Optical metrology is the characterization 1 of systems, surfaces and materials through the use of optical measurement methods.
  • interferometry stands out for its efficiency in measuring the quality of optical elements such as lenses, mirrors or combined lens and / or mirror systems.
  • interferometers For the measurement of optical aberrations, different types of interferometers can be used based on lateral displacement techniques or based on the design of
  • IDP In addition to the simplicity of its operating principle, is the interpretation of the gram-free interferon, in many cases, making it attractive, moreover, as an inspection device.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) obtain in the IDP 's more sophisticated precision in phase recovery of the order of ⁇ / 300- ⁇ / 400, being ⁇ the wavelength used.
  • ophthalmic components are optical components that are integrated into a physiological imaging process and, therefore, the characterization requirements differ greatly from other optical components, both simple (flat surfaces, lenses, mirrors, etc) as more complex (photographic or microscope lenses, etc.).
  • the lens only needs to provide quality in a region of diameter approximately comparable to that of the pupil of the eye, not In its whole.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) It should be noted that the precision necessary to characterize them is less than that necessary to characterize optical components in general. In most optical components, the tolerances allowed are expressed in fractions of the wavelength used. However, tolerances of the order of one wavelength or even several are allowed in ophthalmic components.
  • the object of the present invention is the implementation of a hole diffraction interferometer (IDO), a medium precision interferometer based on the principle of operation of the point diffraction IDP.
  • IDO hole diffraction interferometer
  • the IDO differs from the IDP in that the reference spherical wave is generated by a hole whose diameter is larger than that of the Airy figure of the beam that hits it. In this way, an ideal spherical wave is not produced, but rather a quasi-spherical wave which, although obviously reduces precision to the measurements, is sufficient to measure ophthalmic components.
  • Figure 1 illustrates the basic version of the invention, comprising: A source of electromagnetic radiation (1); a spatial filter (2); a converging lens (3) that produces a collimated beam at its exit; a support (4) for the component; a converging lens (5) in whose focal plane the semitransparent sheet is positioned with the hole (6) to produce the reference wave.
  • the spherical and cylindrical components of the ophthalmic component can be considered as aberrations of order 2 with respect to a plane wave front, then in the focal plane of the lens (5) there is essentially an Airy diffraction pattern affected by the Low and high order aberrations of the component.
  • the portion of radiation that passes through the hole generates a quasi-spherical wave (7) that together with the rest of the wave (8) that crosses the semi-transparent membrane, will result in
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) an interferogram (9) that contains all the information of the focusing characteristics of the ophthalmic component to be analyzed.
  • the interference pattern can be collected, for example, on a screen or on a CCD camera (Charged Coupled Device) (10).
  • the accuracy of the interferometer is regulated not only by the size of the hole, but also by the transmittance of the semitransparent region, which must be properly chosen based on the diameter of the hole used and the number of aberration wavelengths that are to be detected.
  • Interferograms are the interference pattern produced by a spherical wave originating from the hole and the wave emerging from the focusing lens.
  • the stripes will be concentric circles whose spacing follows a quadratic law proportional to the power of the lens. If it is a cylindrical lens, they will be linear stripes; and if it is spherocylindrical, well ellipses (generally rotated) if the two powers are of the same sign, or hyperbolas (generally rotated) if they are of opposite signs (obeying their spacing also a quadratic law).
  • the displacement of the interference patterns of the system axis provides the prismatic power of the components.
  • the lens (3) can be replaced by a system of lenses that partially compensate the spherical and / or cylindrical components of the ophthalmic component to be measured. With this differential measurement, the dynamic range of the interferometer can also be increased.
  • the lenses that make up the system can be both cylindrical and spherical and of varying power of the type, for example, of Alvarez and Humphrey lenses (D .B. Henson, "Optometric Instrumentation", Chapter 8, Butterworths & Co., London , 1983).
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) lithographic techniques that by deposition of different materials on a glass substrate can add a phase shift to the reference wave and / or the wave under analysis to avoid the need for phase shifting mechanisms. This will allow to produce fringe patterns with a maximum (or minimum) central for lenses with both positive curvatures, or minimum (or maximum) for lenses with two negative curvatures. The application of the invention for simple visual inspection is evident.
  • phase objects are those that do not absorb or reflect light, but alter the phase of the light beam that affects or deflects them, such as photoresist, liquid or solid sheets that have variations in their index of refraction.
  • the objectives of the IDO include the inspection of components (classification and visualization of defects), the realization of objective and precise measurements of the lenses available in the market, and their use in research and development of new optical components.
  • FIG. 1 Scheme of the diffraction interferometer by point.
  • FIG. 2 Interferograms of different ophthalmic lenses. a) Positive Spherical, b) Negative Spherical c) Positive Cylinder d) Negative Cylinder e) Positive Sphere, Negative Cylinder
  • FIG. 3 Interferograms of soft contact lenses (in saline solution). a) Spherical Positive b) Spherical Negative c) Toric
  • FIG. 4 Interferograms of rigid contact lenses. a) Defective Lens b) Positive Spherical
  • Ophthalmic components are the optical elements in which the invention was originally applied and with which it is illustrated.
  • Ophthalmic components are the optical elements in which the invention was originally applied and with which it is illustrated.
  • a low power laser from Helio-N.eon (wavelength: 633 nm) was used as the light source.
  • the support for the components is a flat platform with a hole of 4 cm in diameter.
  • the ophthalmic lenses were placed directly over the hole, which allowed its centering.
  • the soft contact lenses were placed inside an optical glass cuvette containing saline solution and whose base was larger than the diameter of the support hole.
  • the rigid contact lenses were placed on a microscope slide that rested on the support.
  • the semi-transparent sheets were manufactured by deposition of a layer of metallic chromium and another of chromium oxide, thus achieving a desired optical density.
  • photolithographic techniques circular holes of different diameter were etched into the sheets.
  • Interferogram images were acquired with a Pulnix Model TM6 AS CCD camera.

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Abstract

Interferómetro de difracción por orificio, IDO, para inspección y medida de componentes ópticos oftálmicos, que comprende una fuente de radiación (1), un sistema de lentes (3), un soporte adecuado a cada tipo de componente oftálmico bajo test (4), una lente focalizadora (5) una lámina semitransparente con un orificio (6) y un sistema de adquisición de imágenes (10). El orificio genera una onda cuasi-esférica de referencia que interfiere con la porción del haz que pasa por fuera del mismo. El patrón de interferencia proporciona las características ópticas del componente, incluyendo defectos. Debido a que el tamaño del orificio de la lámina semitransparente es mayor que el limitado por difracción de la onda que sobre él incide, el interferómetro resulta robusto y de fácil alineamiento.

Description

INTERFERÓMETRO DE DIFRACCIÓN POR ORIFICIO, IDO, PARA INSPECCIÓN
Y MEDIDA DE COMPONENTES ÓPTICOS OFTÁLMICOS. Sector de la técnica
La invención consiste en un interferómetro de difracción por orificio para inspección, análisis y medida de las propiedades ópticas de distintos componentes ópticos oftálmicos, tales como lentes, lentes de contacto rígidas y blandas, lentes intraoculares, etc. El interferómetro sirve para realizar las medidas de la variación punto a punto de la potencia de los componentes a caracterizar.
Estado de la técnica La metrología óptica es la caracterización1 de sistemas, superficies y materiales mediante el uso de métodos ópticos de medida. Entre ellos, la interferometría destaca por su eficiencia para medir la calidad de elementos ópticos tales como lentes, espejos o sistemas combinados de lentes y/o espejos.
Para la medida de aberraciones ópticas, se pueden emplear distintos tipos de interferómetros basados en técnicas de desplazamiento lateral o basados en el diseño de
Michelson o Mach-Zenhder (E. Hetch, Óptica, Cap. 9., Adison Wesley, Madrid, 2000); pero debido a la necesidad de crear una onda de referencia mediante división del haz, su implementación en un aparato compacto y robusto, de uso comercial se hace prácticamente imposible. Los interferómetros de camino común son candidatos idóneos para resolver el problema anterior. Entre ellos, el interferómetro de difracción por punto (IDP), (R.N.
Smartt and J. Strong, J. Opt. Soc. Am. 62, 737 (1972)), permite generar ondas de referencia esféricas ideales mediante la difracción producida por agujeros extremadamente pequeños, denominados puntos (entendiéndose por puntos aquellos agujeros con diámetros menores que el de la figura de Airy del haz que incide sobre ellos), realizados en láminas semitransparentes. De esta forma se evita el paso de la luz a través de ópticas de división de haz (espejos, divisores de haz, etc.) que además conllevarían aberraciones.
Otra ventaja que presenta el IDP, además de la sencillez de su principio de funcionamiento, es la interpretación del interfero grama, trivial en muchos casos, haciéndolo atractivo, además, como dispositivo de inspección.
Al IDP originalmente propuesto por Smartt (R.N. Smartt op. cited) se le han ido añadiendo modificaciones (K.A. Goldberg, US Patent No. 6,307,635; J.E. Millerd, et al.
Procc. SPIE VoI. 5531, 264 (2004)) que no alteran su sencillez inicial, y que permiten
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) obtener en los IDP 's más sofisticados precisiones en recuperación de fases del orden de λ/300- λ/400, siendo λ la longitud de onda utilizada.
Por otra parte, los componentes oftálmicos son componentes ópticos que están integrados dentro de un proceso fisiológico de formación de imagen y, por ello, los requisitos de caracterización difieren en gran medida de otros componentes ópticos, tanto sencillos (superficies planas, lentes, espejos, etc) como más complejos (objetivos fotográficos o de microscopios, etc.). Así por ejemplo, teniendo en cuenta que para visión central el ojo utiliza solamente una pequeña fracción de las lentes oftálmicas en un instante pequeño de tiempo, la lente sólo necesita proporcionar calidad en una región de diámetro aproximadamente comparable al de la pupila del ojo, no en su totalidad.
El avance en las técnicas de fabricación de los componentes oftálmicos ha permitido producir componentes ópticos cada vez más sofisticados, tanto intra como extraoculares, que corrigen defocalización y astigmatismos en toda su complejidad patológica a través de lentes y lentillas esféricas, tóricas, asféricas, bifocales y multifocales. Además, el desarrollo reciente de métodos eficientes y precisos de medida del conjunto de aberraciones oculares de alto orden, por ejemplo con sensores de Shack- Hartmann (J. Liang et al. J. Opt. Soc. Am. A 14,2873 (1997)); o mediante Trazados de Rayos Láser (R. Navarro et al. Optom. Vision Sd. 74, 540 (1997)) ha dado lugar al desarrollo de nuevos componentes oftálmicos (N. Chateau, et al. J. Opt. Soc. Am. A 15, 2589 (1998); N. López et al. J. Opt. Soc. Am. A 15, 2563 (1998); S. Bará, et al. Patente No. ES2163369) que permiten compensar aberraciones de órdenes superiores, pudiéndose prever para un futuro próximo una tendencia a la fabricación de lentes correctoras personalizadas.
Junto con la evolución de la fabricación de nuevos componentes ópticos oftálmicos se han ido desarrollado nuevas técnicas de medida ya que los frontofocómetros convencionales (D.B. Henson, Optometric Instrumentation, Cap. 11, Butterworths, Londres (1983)) presentan muy poca o ninguna capacidad para determinar las características ópticas de todos los nuevos elementos correctores de defectos de visión (en la mayoría de los casos es imposible determinar la potencia de forma fiable, incluso en el centro). Por tanto, son necesarios dispositivos que proporcionen un mapa de potencias de regiones cada vez más amplias de los componentes oftálmicos proporcionando resultados de precisión y reproducibilidad.
Como ya se indicó anteriormente, los requisitos de caracterización de componentes oftálmicos difieren en gran medida de otros componentes ópticos y
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) conviene resaltar que la precisión necesaria para caracterizarlos es menor que la necesaria para caracterizar componentes ópticos en general. En la mayoría de los componentes ópticos, las tolerancias admitidas se expresan en fracciones de la longitud de onda utilizada. Sin embargo, en componentes oftálmicos se admiten tolerancias del orden de una longitud de onda o incluso de varias.
Hasta la fecha, sólo hay dos instrumentos comerciales que también permiten caracterizar con precisión los nuevos componentes ópticos oftálmicos: El Visionix 2001 (www.visionix.com) que utiliza un sensor Shack-Hartmann cuya matriz de microlentes proporciona del orden de 500 puntos de muestreo; y el Rotlex Contest (www.rotlex.com) basado en deflectometría Moire, que aunque presenta mayor resolución espacial (35000 puntos de muestreo), al igual que el anterior dispositivo, necesita del soporte informático (ya que no proporcionan directamente los mapas de fase, sino medidas indirectas) incluso para una simple inspección subjetiva que no necesite resultados numéricos, y que permita, por ejemplo, la clasificación de componentes sencillos o la detección de defectos.
Descripción de la invención
El objeto de la presente invención es la implementación de un interferómetro de difracción por orificio (IDO), un interferómetro de precisión media basado en el principio de funcionamiento del de difracción por punto, IDP. El IDO se diferencia del IDP en que la onda esférica de referencia se genera mediante un agujero cuyo diámetro es mayor que el de la figura de Airy del haz que incide sobre él. De esta forma no se produce una onda esférica ideal, sino una .onda cuasi-esférica que aunque obviamente resta precisión a las medidas, ésta es suficiente para medir componentes oftálmicos.
La Figura 1 ilustra la versión básica de la invención, que comprende: Una fuente de radiación electromagnética (1); un filtro espacial (2); una lente convergente (3) que produce un haz colimado a su salida; un soporte (4) para el componente; una lente convergente (5) en cuyo plano focal se sitúa la lámina semitransparente con el orificio (6) para producir la onda de referencia.
Entendiéndose que las componentes esféricas y cilindricas del componente oftálmico pueden ser consideradas como aberraciones de orden 2 respecto a un frente de onda plano, entonces en el plano focal de la lente (5) se tiene en esencia un patrón de difracción de Airy afectado por las aberraciones de bajo y alto orden del componente. La porción de radiación que pasa a través del orificio genera una onda cuasi-esférica (7) que junto con el resto de la onda (8) que atraviesa la membrana semitransparente, dará lugar a
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) un interferograma (9) que contiene toda la información de las características focalizadoras del componente oftálmico que se desea analizar. El patrón de interferencias se puede recoger, por ejemplo, en una pantalla o en una cámara CCD (Charged Coupled Device) (10). La precisión del interferómetro viene regulada no sólo por el tamaño del orificio, sino también por la transmitancia de la región semitransparente, que debe ser escogida adecuadamente en función del diámetro del orificio utilizado y del número de longitudes de onda de aberración que se desean detectar.
Aunque la utilización de orificios en vez de puntos reduce la precisión del dispositivo al disminuir el contraste de las franjas periféricas, esta pérdida de precisión se ve compensada por: a) un incremento del rango dinámico del interferómetro, es decir, permite obtener interferogramas con buen contraste de grandes cantidades de aberraciones; y b) un alineamiento fácil, que hace del IDO un dispositivo de medida robusto. Una vez que la relación diámetro de agujero-transmitancia da lugar a interferogramas con visibilidad adecuada, su interpretación es simple. Los interferogramas son el patrón de interferencia producida por una onda esférica con origen en el orificio y la onda que emerge de la lente focalizadora. Así por ejemplo, si el componente bajo test se ilumina con un haz de luz colimado, y es una lente esférica, las franjas serán círculos concéntricos cuyo espaciado sigue una ley cuadrática proporcional a la potencia de la lente. Si es una lente cilindrica, serán franjas lineales; y si es esferocilíndrica, bien elipses (en general giradas) si las dos potencias son del mismo signo, o hipérbolas (en general giradas) si son de signos opuestos (obedeciendo su espaciado también una ley cuadrática). El desplazamiento de los patrones de interferencia del eje del sistema proporciona las potencia prismática de los componentes.
La lente (3) puede ser sustituida por un sistema de lentes que compensen parcialmente las componentes esféricas y/o cilindricas del componente oftálmico a medir. Con esta forma diferencial de medida se puede incrementar también el rango dinámico del interferómetro. Las lentes que conformen el sistema pueden ser tanto cilindricas y esféricas como de potencia variable del tipo, por ejemplo, de lentes de Alvarez y Humphrey (D .B. Henson, "Optometric Instrumentation", Cap. 8, Butterworths & Co., London, 1983).
Se incluye también, dentro del dispositivo interferométrico, una novedad en el diseño de la lámina semitransparente que contiene el orificio: Láminas fabricadas con
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) técnicas litográficas que mediante la deposición de distintos materiales sobre un substrato de vidrio puedan añadir un desfase a la onda de referencia y/o a la onda bajo análisis para evitar la necesidad de mecanismos de desplazamiento de fase. Esto permitirá producir patrones de franjas con un máximo (o mínimo) central para lentes con las dos curvaturas positivas, o mínimo (o máximo) para lentes con dos curvaturas negativas. La aplicación de la invención para simple inspección visual es evidente.
La invención se describirá a continuación con ejemplos para su mejor comprensión; pero debe constar que se pueden hacer variaciones en el dispositivo básico, e implementarse en otras aplicaciones para medidas de objetos de fase. Entendiéndose por objetos de fase aquellos que no absorben ni reflejan luz, sino que alteran la fase del haz de luz que sobre ellos incide o lo deflectan, tales como láminas de fotorresinas, líquidos o sólidos que presentan variaciones en su índice de refracción.
Los objetivos del IDO incluyen la inspección de componentes (clasificación y visualización de defectos), la realización de medidas objetivas y precisas de las lentes disponibles en el mercado, y su utilización en investigación y desarrollo de nuevos componentes ópticos.
Descripción de las figuras
FIG. 1: Esquema del interferómetro de difracción por punto. FIG. 2: Interferogramas de distintas lentes oftálmicas. a) Esférica Positiva, b) Esférica Negativa c) Cilindrica Positiva d) Cilindrica Negativa e) Esfera Positiva, Cilindro Negativo FIG. 3: Inteferogramas de lentes de contacto blandas (en solución salina). a) Esférica Positiva b) Esférica Negativa c) Tórica
FIG. 4: Inteferogramas de lentes de contacto rígidas. a) Lente Defectuosa b) Esférica Positiva
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) Modo de realización
Los componentes oftálmicos (lentes y lentes de contacto esféricas, cilindricas, tóricas, bifocales, multifocales, progresivas) son los elementos ópticos en los que se ha aplicado originalmente la invención y con los que se ilustra. Así pues, aunque la viabilidad del IDO será descrita en base a un prototipo y se proporcionarán detalles específicos de la implementación, es obvio que la invención que se presenta podrá realizarse sin tener que limitarse a los detalles aquí descritos. EJEMPLO
En el experimento se empleó como fuente de luz un láser de baja potencia de Helio-N.eon (longitud de onda: 633 nm). Mediante un objetivo de microscopio comercial de 6OX se produjo la onda esférica para iluminar el sistema y se colimó a continuación con una lente convergente. El soporte para los componentes es una plataforma plana con un agujero de 4 cm de diámetro. Las lentes oftálmicas se colocaron directamente sobre el agujero, lo que permitió su centrado. Las lentes de contacto blandas se colocaron dentro de una cubeta de vidrio óptico que contenía solución salina y cuya base era mayor que el diámetro del agujero del soporte. Las lentes de contacto rígidas se colocaron en un portaobjetos de microscopio que se posó sobre el soporte. A continuación se situó una lente convergente en cuyo plano focal se colocó la lámina semitransparente con el agujero centrado sobre la mancha focal. Las láminas semitransparentes se fabricaron mediante la deposición de una capa de cromo metálico y otra de óxido de cromo, logrando así una densidad óptica deseada. Mediante técnicas fotolitográficas se grabaron en las láminas orificios circulares de distinto diámetro.
Las imágenes de los interferogramas se adquirieron con una cámara CCD Pulnix Modelo TM6 AS.
En las Figuras 2, 3 y 4 se muestran interferogramas obtenidos para distintos tipos de componentes oftálmicos.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26)

Claims

REIVINDICACIONES:
1.- Interferómetro de difracción por orificio, IDO, para inspección y medida de componentes ópticos oftálmicos caracterizado porque comprende:
-Una fuente de radiación, que puede ser tanto monocromática como policromática (1). -Un filtro (2) para producir coherencia espacial, si fuera necesario, dependiendo del tipo de fuente de radiación.
-Un conjunto de lentes esféricas y cilindricas (3) que, mediante su desplazamiento axial y giros, compensen total o parcialmente los astigmatismos y la defocalización del componente oftálmico a caracterizar. -Un soporte adecuado al componente oftálmico a medir (4).
-Una lente focalizadora (5).
-Una lámina semitransparente (6), situada en el plano focal de la lente (5), caracterizada por tener un orificio de diámetro mayor que el diámetro de la mancha de Airy producida por la lente (5) y que haya sido fabricada de tal forma que pueda, además, añadir tanto a la onda de referencia (7) como a la onda a medir (8) una fase adicional que permita discriminar curvaturas positivas o negativas.
- Un detector (10) para capturar el interferograma (9) producido por la onda de referencia y la onda test.
2.- Interferómetro de difracción por orificio, según la reivindicación 1, caracterizado porque el conjunto de lentes (3) son lentes variables y que mediante el control de su traslación transversal produzcan una onda que compense total o parcialmente la vergencia del componente oftálmico.
3.- Interferómetro de difracción por orificio, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la lámina semitransparente esté ligeramente alejada del plano focal de la lente (5).
4.- Interferómetro de difracción por orificio, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado por la incorporación, entre (3) y (4) o entre (4) y (5), de un sistema de prismas que permitan compensar total o parcialmente el efecto prismático de los componentes.
5.- Uso del interferómetro de difracción por orificio, según las reivindicaciones anteriores, para su aplicación a la medida de objetos de fase.
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