WO2016142558A1

WO2016142558A1 - Dispositivo opto-electrónico y método para colimar y determinar el grado de colimación de un haz de luz

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Publication number: WO2016142558A1
Application number: PCT/ES2016/000032
Authority: WO
Inventors: Luis Miguel Sanchez Brea; Francisco Jose TORCAL MILLA
Original assignee: Universidad Complutense de Madrid
Current assignee: Universidad Complutense de Madrid
Priority date: 2015-03-06
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2016-09-15
Anticipated expiration: 2017-09-06
Also published as: ES2540921A1; ES2540921B2

Abstract

La presente invención se refiere a un dispositivo opto-electrónico para determinar el grado de colimación de un haz de luz que, mediante la incorporación de un elemento de colimación 2, también puede utilizarse para colimar haces. El dispositivo comprende una red de difracción 3, una máscara 5 que incluye una multiplicidad de ventanas 4 cada una de ellas con una red de difracción, estando las redes de difracción de las ventanas 4 desfasadas entre sí, una matriz 7 de fotodetectores 8 cuyo numero puede ser igual o mayor al número de ventanas 4 de la máscara 5 o bien pueden estar ubicados en una matriz con distribución bidimensional (CMOS o CCD) y uno o más elementos de procesamiento de datos 8. La invención también incluye métodos para determinar el grado de colimación de un haz de luz o para colimar un haz.

Description

Titulo

Dispositivo opto-eleetrónieo y métodos para colimar y determinar el grado de

colimación de un haz de luz

Sector Ú la técnica

La presente invención se encuadra en el sector de Tecnología Óptica y más concretamente en el sector de Dispositivos Opto-electró icos.

Estado de la técnica La determinación o conocimiento del grado de colimación de un haz de luz es de gmn importancia en numerosas aplicaciones ópticas, tales como dispositivos metrológicos, sistemas para iluminación, Óptica de consumo, aplicaciones de ios láseres, etc. Existen métodos sencillos y bien conocidos para colimar de forma aproximada una fuente de luz general, mediante el uso de una lente, tal como el método de autocoiimación Las técnicas interferométricas para la medida del grado de colimación de un haz están entre las más precisas, siendo conocidas desde hace varias décadas [D. Malacara, ed._; Optical Shop Testing ( iíey. New York, 1 78)]. No obstante, solamente se pueden utilizar con haces de luz que tengan un alto grado de coherencia temporal o espacial, como suelen ser los láseres. Por otra parte, en muchas situaciones es necesario conocer el grado de colimación de un haz de luz proveniente de otro tipo de fuentes tales como diodos emisores de luz (LEDs), diodos láser, láseres de emisión superficial con cavidad vertical (VCSELs) y otras fuentes que presentan un grado de coherencia parcial temporal y/o espacial.

Existen técnicas que permiten medir el grado de colimación de haces de luz mediante sistemas de doble red, pero necesitan realizar desplazamientos laterales, por lo que ios dispositivos de colimación se vuelven complicados [L.fvl. Sanchez-Brea, F.J. Torcal-Milla, F. J. Salgado-Remacha, T. erlanes, I. Jiménez-Castillo, and E. Bemabeu, "Collimation method using a double gratíng s stem" Appi. Opt. 49, 3383 (2010)].

Por otro lado, han aparecido sistemas para determinar el grado de colimación basados en una conjunción de redes lineales y circulares, pero ei procesado de las señales resulta complicado y no intuitivo [ . Patorski, K Pokorski, and . Trusiak, "Circular-linear grating Talbot interferometry with moiré Fresnel imaging for beam coilimatíon" Opt. Lett. 39, 291 (2014)].

Asimismo, se puede determinar el grado de colimación mediante la medida del periodo de una auto-imagen y comparación con el periodo de la red de difracción que genera dicha auto-imagen [L. . Sanchez-Brea, F.J. Torcaí- iíia, J.M . Herrera-Fernandez, T. Merlanes, and E, Bernabeu "Seif-ímaging technique for beam coííimation" Optics Letters 39(19} 5784-5767 (2014)]. Cuando el periodo de la auto-imagen es el mismo que el de la red, entonces el haz está colimado. La desventaja de esta técnica es que requiere una precisión muy grande en el posicionado de los elementos ópticos y opto-electrónicos para asegurar la medida del periodo con la precisión requerida, del orden de nanómetros en muchos casos.

La ventaja de utilizar ías auto-imágenes de una red de difracción para determinar el grado de colimación de un haz es que tos requisitos de la fuente de iluminación son menos restrictivos, pues el fenómeno no se debe a las interferencias, sino a la difracción. De esta forma no es necesario que la fuente sea puntual para producir auto-imágenes, ni necesita ser monocromática. Por ejemplo, es conocido que ¡as fuentes policromáticas pueden generar auto-imágenes estables durante una larga distancia [N Guéhneau, B. Harchaoui, J, Primo! "Taibot experiment re-examined: demonstration of an achromatic and continuóos self-imaging regíme." Optics Communications 180 199-203 (2000)].

Entre las patentes reiacionadas con la invención cabe destacar:

La patente C 1080997 (A) que muestra un dispositivo que testea el grado de colimación de una fuente de luz láser de forma computerizada comprensiva. Incluye un ancho rango de medidas siempre que se trate de una fuente de luz láser. La patente CM101489977 (A) que muestra un dispositivo que testea ia colimación incrementando la precisión y con una estructura compacta,

Es por ello que el objeto de la presente patente es un dispositivo que determina el grado de colimación de un haz de forma robusta y sencilla, que sirve para distintos tipos de fuentes de luz, y no solamente para haces láser. Asimismo, utilizando el dispositivo que mide el grado de colimación descrito en esta patente se desarrolla un método para obtener un haz con alto grado de colimación. Descripción detallada de IB invención

Dispositivo opío-eiectróníco y métodos para co imar y determinar e! grado de

colimación de un haz de luz.

Un aspecto de la presente invención se refiere a un dispositivo opto-electrónico que permite medir el grado de colimación de un haz láser o un haz de luz con una coherencia parcial espacia o temporal y que, asimismo, sirve para colimar un haz de luz con precisión cuando se le añade un elemento coiimador.

En esta memoria descriptiva, se entiende por "haz de luz" o, simplemente, ^"haz^" cualquier tipo de haz de luz y de haz láser. Para medir el grado de colimación de un haz de luz, en la presente invención se utiliza una red de difracción 3 de un periodo p. A! propagarse la luz, debido a efectos difractiv s_; se generan auto-imagenes a varias distancias de la red de difracción [ . Patorsky, "The self- ímaging phenomenon and íts appücaíions," Prog ress in Optics 27 1 -108 1989]. Si X es la longitud de onda media del haz de luz, y la red de difracción modula la amplitud de dicha onda, las auto-imágenes generadas se ubican a distancias múltiplos enteros de la distancia de Talbot z^{■■■■■■■} ρ²/λ. En la referencia [L.M. Sanchez-Brea, F.J. Torcal-Miíia, F, j. Salgado-Remache T, Merlanes, i. Jiménez-Castillo, and E. Bernabeu, "Collimation method using a double grating system" Appl. Opt. 49, 3383 {2010}] se describe un sistema que utiliza una red de difracción de periodo p y una máscara con dos ventanas, cada una con una red de difracción de periodo p, desplazadas entre sí p/4 (90 grados eléctricos), Mediante las señales eléctricas, SA y S¾ respectivamente, generadas por dos fotodetectores ubicados detrás de las redes de difracción de las dos ventanas, se puede obtener una Figura de Lissajous al mover lateralmente y de forma continuada la red de difracción La forma de la Figura de Lissajous depende de diversos aspectos. Si utilizamos un modelo puramente geométrico para el análisis del dispositivo, la Figura de Lissajous es cuadrangular o rectangular. No obstante, debido a efectos dífractivos, el tamaño finito de la fuente de luz, la polscromaiicidad de la fuente de luz, o a un mal posicionamsento de los elementos que involucran el dispositivo, la Figura de Lissajous presenta una forma más redondeada. Este tipo de formas se pueden describir matemáticamente, como veremos posteriormente. La forma de ¡a Figura de Lissajous también depende del grado de colimación del haz. Cuando el haz está colimado, la Figura de Lissajous es simétrica respecto a los ejes vertical y horizontal, mientras que cuando el haz está descolimado la Figura de Lissajous se hace elipsoidal y no simétrica respecto a los mismos ejes. Por consiguiente, la medida de la elipticidad de la Figura de Lissajous obtenida nos permite determinar el grado de colimación del haz de luz. Ei problema que se plantea con la solución descrita en 1a referencia [L.M. Sanchez-Brea, F.J. Torcai-Miiía, F. J. Saigado-Remacha, T . Merlanes, I . Jiménez-Castillo, and E, Bernabeu, "Collimation method using a double grating systerrf App!. Opt. 49, 3383 (2010)] es que, para generar la Figura de Lissajous, se requiere el desplazamiento lateral mecánico de la red de difracción respecto de la máscara con dos ventanas y los totodetectores del dispositivo. Aunque este sistema es viable en prototipos de laboratorio, el movimiento continuo de la red de difracción hace que un dispositivo que utilice esta tecnología sea complicado y costoso.

En la presente invención se simplifica el método de obtención de la Figura de Lissajous con respecto a lo descrito en los párrafos anteriores. Un esquema del dispositivo de la invención se muestra en la Figura 1 . En lugar de requerir un movimiento relativo entre la red de difracción y la máscara formada por dos ventanas, cada una de las cuales tiene un fotodetector detrás, como tenia el dispositivo descrito en [L.M. Sanchez-Brea, FJ, Torcal-Milla, F. J. Saigado-Remacha, T. Morlanes, I. Jiménez-Castillo, and E. Bernabeu, "Collimatíon method using a double grating system" Appl, Opt. 49, 3383 (2010)], en la presente invención se sustituye dicha máscara con únicamente dos ventanas por una máscara 5 con una multiplicidad (N) de ventanas 4, cada una de ellas con una red de difracción de periodo p. En la Figura 2 se muestra un ejemplo de la máscara 5 con la multiplicidad de ventanas 4 cuyas redes de difracción están desplazadas unas con respecto de las demás. Las redes de difracción de las ventanas 4 deben estar desplazadas entre si una fracción del periodo. Una opción es que, si hay N ventanas, el desplazamiento relativo entre ellas sea 2n/N o 360" / N , aunque otras opciones son también viables. Asimismo, en lugar de ubicar 2 totodetectores, uno detrás de cada una de las dos ventanas, en el dispositivo de la presente invención se ubican N fotodetectores 6 o un array bidimensional, como puede ser una cámara CCD o CMOS. De esta forma, se obtienen N señales que, convenientemente dispuestas en pares {SA y Se} permiten la obtención de la Figura de Lissajous sin necesidad de movimiento relativo de la red de difracción. En la Figura 3 se muestra un ejemplo de distribución de intensidad que llega a cada uno de los fotodetectores S para el caso de la distribución de ventanas de la Figura 2. El dispositivo de la invención presenta una gran ventaja puesto que simplifica enormemente la medición del grado de colimación del haz. Con los N fotodetectores, que podrán estar duplicados, o no, para mejorar la calidad de la señal, se obtiene una serie de pares de señales {SA y SB} que se utilizan para representar la Figura de üssajous. En la Figura 4 se muestra la Figura de üssajous obtenida con los fotodetectores 8 de la Figura 3 para tres grados distintos de colimación. Cuando el haz está colimado, Figura 4b, la Figura de Lissajous es simétrica respecto a los ejes vertical y horizontal mientras que en las Figuras 4a y 4c el haz está descoiimado. Un aspecto de la presente invención se refiere a un dispositivo para determinar el grado de colimación de un haz de luz que comprende:

- una red de difracción 3,

- una máscara 5 que incluye H ventanas 4 cada una de ellas con una red de difracción, donde N > 4 , - una matriz 7 de fotodetectores 6, situados detrás de cada una de las ventanas, siendo su número N igual o mayor al número de ventanas,

- uno o más elementos de procesamiento de datos 8.

Cuando el dispositivo quiere utilizarse para colimar un haz de luz, debe incorporarse al mismo un elemento de colimación 2 que puede ser una lente, un conjunto de lentes o un elemento óptico difractivo. Por lo tanto, un segundo aspecto de la invención se refiere a un dispositivo para colimar un haz de luz que comprende:

- un elemento de colimación 2,

- una red de difracción 3,

- una máscara 5 que incluye N ventanas 4 cada una de ellas con una red de difracción, donde N > 4 ,

~ una matriz 7 de fotodetectores β, situados detrás de cada una de las ventanas, siendo su número N igual o mayor al número de ventanas,

- uno o más elementos de procesamiento de datos 8. La red de difracción 3 puede ser una red de Ronchi que modula la amplitud aunque también podría ser una red con una modulación sinusoidal u otro tipo de modulación de amplitud y/o fase.

Ei número de ventanas 4 en la máscara § es variable, aunque preferentemente_» será un número par y más preferentemente, la máscara S incluye 16 ventanas 4. Por otro lado_: ias ventanas 4 en la máscara S pueden estar dispuestas en una o más columnas (Figuras 9 y 10). Es conveniente, aunque no necesario, que el desfase transversal entre cada una de las redes de difracción de cada ventana 4 sea igual a 360°/ , donde N es el numero de ventanas 4. Otra opción es duplicar las ventanas con el mismo desfase, corno se muestra en la Figura 2.

Una configuración posible es ubicar todas las ventanas 4 a la misma distancia d entro el eje óptico del haz y el centro de la ventana, como se muestra en la Figura 8. Cuanto mayor sea la distancia d entre el eje óptico del haz y el centro de la ventana, mayor será la sensibilidad que tendrá el dispositivo da medida. No obstante, como el haz debe cubrir todas las ventanas (o al menos la mayoría de ellas) la distancia d se debe adaptar ai tamaño estimado que tendrá el haz una vez colimado.

En relación con el desfase entre ias redes de las diferentes ventanas, también es posible que no se produzca dicha duplicidad . Entonces, los datos de salida se pueden disponer convenientemente para obtener N datos de ia Figura de Lissajous a partir de las N ventanas utilizadas. Este ejemplo se muestra en la Figura 1 .

Aunque simplifica el procesado de señales posterior, no es necesario que todas las ventanas 4 se encuentren a la misma distancia del eje óptico del haz de luz de entrada. Otra posible configuración es ubicar las ventanas 4 y, por ello los fotodetectores 8, en varias columnas como se muestra en la Figura 9. De esta forma, se optimiza el área de detecci n.

Desde el punto de vista electrónico, la configuración más rápida desde el punto de vista de procesamiento de datos es ubicar N fotodetectores 6 uno detrás de cada ventana 4. Sin embargo, dicha configuración se simplifica si se ubica una cámara formada por una distribución bidimensional de fotodetectores B, como es una cámara CCD o una cámara CMOS. En este caso, mediante programación, se pueden seleccionar los fotodetectores (también denominados pixeles) adecuados para obtener los datos para la Figura de Lissajous. Entre los elementos para el procesamiento de datos 8 se pueden seleccionar una placa electrónica, un microprocesador o un ordenador.

Si se analiza el sistema desde un punto de vista geométrico, ia Figura de Líssajous será cuadrada o rectangular si las redes son redes de Ronchi. No obstante, la forma de ia Figura de Líssajous puede cambiar por distintos motivos. En primer lugar, se producen efectos difractivos que hacen que la auto-imagen no se recupere de forma perfecta, sobre todo si el plano de ios fotodetectores S no coincide con la distancia de Talbot. Además, cuando la fuente de luz no es puntual sino que tiene un tamaño finito, ia Figura de difracción tiende a eliminar armónicos superiores y la Figura de Líssajous se hace cada vez más suave. También, cuando la fuente es policromática, se eliminan armónicos en la Figura de Líssajous. Todo esto debe tenerse en cuenta a la hora de diseñar un dispositivo que mida la elipticidad de la Figura de Líssajous.

Por consiguiente, para determinar eí grado de elipticidad de la Figura de Líssajous de una forma precisa, las señales (SA y Ss ) se ajustan a una figura compleja generada por [M. Fernandez-GuastL M. de la Cruz Heredia "Diífraction pattern of a circie / square aperture" J. Mod, Opt. 40(6) 1073-1080 (1993)]

donde x' e y' son las coordenadas de la Figura (señales {SA y Ss }), Ri y F son los ejes principales y s es el parámetro que da cuenta de la forma de la Figura de Líssajous, Cuando el parámetro s es nulo, s ~ 0, la función representa una elipse / círculo. Cuando el parámetro s ~ 1 ¡a función representa un rectángulo / cuadrado.

El grado de elipticidad se puede medir a partir del siguiente parámetro,

donde ί¾« es el valor menor entre Ri y R2 y F Í es ei valor mayor entre R1 y ¾, aunque cualquier parámetro que compare R1 y R2 es válido.

Por consideraciones físicas, cuando la Figura de Líssajous no es circular, los ejes principaies de la elipse (1 ) están ubicados a 45 grados respecto al eje x. Por consiguiente, considerando este cambio de variables ( ¹"- }cos^-( ^!™7)s n^

(x-x)cos0+( ~y)s\n0 donde θ ~ 45°, es el valor medio de la señal de los fotodetectores 6 que generan SA e v es el valor medio de la señal de los fotodetectores 8 que generan 5B, ia ecuación ( 1 ) se convierte en la siguiente ecuación

•* , <> · 1 t 1 \ ,.· , ·, / ! I \ , „ (4) »-~_^ i r' ··- ^¡r f ^■■■^■■^■■^■■^■■^■ - i ;;." ->·· <;^< -f ™· :r?? - 1 ^~ 0,

En la Figura 5 se muestra esta ecuación para diversos valores de s y R1/R2 Con el fin de obtener los parámetros de interés Ri , R¾. los puntos de la Figura de Lissajous experimentales {SA y SB} se tienen que ajusfar a esta ecuación. Para ello, a partir de (4) consideraremos el siguiente polinomio a u + bv + cx y + l ^ 0 · ^í5 donde ~ (x² - y²)², v ^~ (x² + y²), ~ s²/4i?|/?|, b - + l/R|)/2 e™

(l/Rr - I/R2)- Los parámetros a. b, c se deben calcular a partir de datos experimentales {SA y SB}. Entonces, para cada par de valores (xm, y∞) con m ~ 1 , , , . , del conjunto {SA y SB} que generan la Figura de Lissajous, obtenemos una ecuación que se puede representar de forma matricial A*z = B

donde u-_t - (x ~ y , ¾ (xf 4· γξ) y asi sucesivamente. Este sistema de ecuaciones lineales se puede resolver mediante un ajuste de mínimos cuadrados

y de esta forma se obtienen los parámetros a, b y c. A partir de estos valores se pueden obtener ios mejores parámetros R1 y F¾ para eí ajuste, que por comparación resultan ser consecuencia, la elipticidad se obtiene mediante

dependiendo del signo de los parámetros. Para una de tes ecuaciones (9) e resulta un valor positivo y para la otra un número complejo puro. Nos quedaremos como parámetro de elipticidad, e. con el valor positivo.

En la Figura 8 se muestra un ejemplo de ajuste de los datos obtenidos con la máscara S de la Figura 4 y con ios parámetros a, b, y c obtenidos con este procedimiento para distintas distancias Az entre la fuente de luz y el piano focal de ¡a lente 2. Se observa claramente que la elipticidad es un parámetro válido para medir el grado de colimación del haz y para buscar el grado de máxima colimación, que ocurre cuando Az = 0.

Por otra parte, en la Figura 7 se muestra el ajuste de la ecuaci n (4) para dos casos obtenidos según el esquema de la Figura 1 y la máscara de la Figura 2. En la Figura 7a la distancia z-¿ es la que se corresponde a una autoimagen y en la Figura 7b la distancia ¾ es distinta a la que se corresponde a una autoimagen. En ambas Figuras la forma de la Figura de Lissajous es muy distinta, ya que varia el parámetro s. No obstante el ajuste obtenido con la ecuación (4) es excelente para ambos casos.

Por lo tanto, otro aspecto de la invención se refiere a un método para determinar el grado de colimación de un haz de luz que incluye los siguientes pasos: a) hacer pasar el haz de luz a través del dispositivo de la invención, b) obtener una Figura de Lissajous, c) determinar el grado de elipticidad de la Figura de Lissajous.

Para determinar el grado de elipticidad de la Figura de Lissajous así obtenida, se puede recurrir a la medición visual de dicha Figura o bien se puede procesar matemáticamente. En cuanto a la medición visual, el haz de luz estará colimado si la Figura de Lissajous es circular/cuadrada y no estará colimado si la Figura de Lissajous es eliptioa/rectangular. Para la medición matemática se siguen los siguientes pasos: d) obtener los datos de la matriz A (8), e) realizar el ajuste por mínimos cuadrados de la ecuación (7), f) obtener los parámetros Ri y 2 de la ecuación (8), g) obtener la elipticidad e según la ecuación (9).

La invención también se refiere a un método para colimar un haz de luz que incluye los siguientes pasos: a) hacer pasar el haz de luz a través del dispositivo de la invención que incluye un elemento colimador 2, b) obtener una Figura de Lissajous, c) determinar el grado de elipticidad de la Figura de Lissajous bien mediante medición visual bien matemáticamente, d) desplazar la fuente de luz 1 con respecto al elemento de colimación 2 a lo largo del eje óptico, e) monitorízar el parámetro de elipticidad e del paso c}. f) detener el desplazamiento de la fuente de luz 1 cuando el parámetro e sea mínimo, teniendo en cuenta que los pasos c) y d) se realizan simultáneamente o consecutivamente y que por mínimo se entiende ei menor valor posible de la elipticidad a lo largo de la medida completa.

Para realizar !a medición matemática del grado de elipticidad de la Figura de Lissajous en el paso c) se siguen los siguientes pasos: i) obtener los datos de la matriz A (6), ii) realizar el ajuste por mínimos cuadrados de la ecuación (7). íii) obtener los parámetros R1 y R2 de la ecuación (8), ív) obtener la elipticidad e según la ecuación (9) seleccionando el parámetro de elipticidad, e, con valor positivo.

Breve descripción; de las Figuras

Figura 1. IVIuestra, de forma esquemática, la configuración básica del dispositivo para colimar y del dispositivo para determinar el grado de colimación de un haz de luz, y la II distribución de tos diferentes componentes: 1 fuente de luz, 2 elemento de colimación , 3 red de difracción, 4 ventana con red de difracción, 5 máscara que contiene ia multiplicidad de ventanas, 8 fotodetector, 7 matriz de fotodetectores y 8 elementos de procesamiento de datos. Se muestran la máscara 5, la matriz 7 de fotodeíectores 8 y ios elementos de procesamiento de datos 8 separados para una mejor comprensión pero en una realización podrían ir pegados, al menos la mascara 5 y los fotodetecíores 8.

Fígyra 2. Muestra, de forma esquemática, un ejemplo de máscara 5 para obtener la Figura de Lissajous, para el caso de 8 ventanas 4 duplicadas (18 en total) con la que se obtienen ocho puntos en ia Figura de Lissajous. En este caso_: las ventanas están duplicadas para una mayor robustez, aunque podrían no estarlo. Los números representan el desplazamiento lateral de cada red de forma que 360 resulta un desplazamiento de un periodo p.

Figyra 3, Ejemplo de distribución de intensidad en los fotodeíectores para una fuente colimada utilizando la máscara 8 de la Figura 2. Figura 4, Ejemplo de Figuras de Lissajous para el caso de haz descolimado convergente y descolimado divergente, Figura 4a y Figura 4c respectivamente, y para el caso de haz colimado, Figura 4b. Cuando el haz esíá colimado la Figura de Lissajous presenta simetría. Esíe ejemplo se ha obtenido con la distribución de intensidad de la Figura 3.

Figura 5. Gráfica de la ecuación 1 donde se muestra un perfil de ajusíe de la Figura de Lissajous, En la Figura 5a ia relación entre ejes es la misma (haz colimado), y el factor de forma s varia para cada curva. En la Figura 5b la relación entre ejes es distinta (haz descolimado) y el factor de forma s varia para cada curva.

Figura 8. Variación de elipticidad a (ecuación 9} en función de la distancia entre la fuente de luz 1 y el punto focal del elemento colimador 2, &z, para la máscara de la Figura 2. Conociendo el valor de la elipticidad podemos saber el grado de colimación del haz, por lo que se puede medir el grado de colimación del haz a partir de la elipticidad. Por otra parte, cuando se tiene Δζ ~ 0, entonces el haz está perfectamente colimado,

Figura 7, Ejemplos de Figuras de Lissajous obtenidas con la máscara de la Figura 2 cuando el haz está perfectamente colimado para dos planos de observación ¾ distintos. En ia Figura 7a, la distancia ¾ entre la red de difracción 3 y ia máscara § con ventanas 4 es igual a un plano de Talbot de la red de difracción ¾ = p²¡X, λ - 880 nm , p 1 10 μηι En la Figura 7b, esta distancia es ¾ ~ V²¡ + 500μ?η. Aunque la forma de la Figura de Lissajous cambie, y también lo haga el parámetro s, con la ecuaci n (9) se obtiene un valor de elipticidad igual para los dos casos.

Figura 8. Ejemplo de máscara § cuando las ventanas 4 se ubican únicamente en 2 columnas separadas una distancia d del eje central. Cada una de las ventanas (rectángulos negros) contiene una red de difracción con desfases relativos.

Figura 9, Ejemplo de máscara 5 cuando las ventanas 4 se ubican en 4 columnas. Cada una de las ventanas (rectángulos negros) contiene una red de difracción con desfases relativos. Fsgura 10, Ejemplo de máscara 5 cuando las ventanas 4 se disponen en una multiplicidad de columnas equiespaciadas. Cada una de las ventanas (rectángulos negros) contiene una red de difracción con desfases relativos.

Fsgura 11. Ejemplo de máscara 5 cuando las redes de tas ventanas 4 no están duplicadas. De esta forma se puede obtener un mayor número de puntos de la Figura de üssajous.

Fsgura 12. Resultados experimentales de elipticidad en función de la distancia LED-lente obtenidos con el Ejemplo 1 . odo de re lizació de la ínvefieréti Una vez definida la geometría del sistema y el proceso de medida, a continuación se presentan ejemplos de dispositivos para medir el grado de colimación de un haz o colimar un haz.

Ejemplo 1 ,

Se fabrico un dispositivo para colimar y un dispositivo para determinar el grado de colimación de una fuente de luz 1 LEO de longitud de onda λ ~ 880 nanometros (modelo

§ que contenía 18 ventanas 4 situadas en dos columnas con una distancia de ■^■■^■■■ 2 milímetros entre el eje central de la máscara S y el centro de las ventanas 4. Cada una de las ventanas contenía una red de difracción de periodo p ·-··.·· 1 10 micrometros con intervalos de desfase 380°/8. Las redes de difracción de las ventanas se encontraban duplicadas. Esta máscara se muestra en la Figura 2, Para la adquisición de datos se utilizaron fotodetecfores 8 de silicio para infrarrojo de Gsram -modelo Opto SFH2400Z 80°, colocando uno detrás de cada ventana 4. La máscara 5 se encuentra a una distancia de Talbot de la red de difracción 3, z_r - 2 · ρ*/λ - 27,5 milímetros . Para el tratamiento de dichos datos se utilizó un programa informático. La dependencia de la elipticidad de la Figura de Lissajous con la distancia entre la fuente de luz y el punto focal del sistema de colimación se muestra en la Figura 8, Ei mínimo corresponde a la situación óptima de colimación cuya Figura de Lissajous se muestra en la Figura 4b. El resultado experimental se muestra en la Figura 12,

Ejempüo 2.

Se fabricaron dispositivos idénticos a los descritos en el Ejemplo 1 pero utilizando un número de ventanas N- 24 dispuestas en dos columnas equidistantes a ambos lados del eje central de la máscara. La máscara se situó a dos distancias de Talbot de la red de difracción El desfase entre las redes de difracción de las ventanas era en este caso 380°/24 y las ventanas estaban duplicadas.

Ejemplo 3. Se fabricaron dispositivos idénticos a los descritos en ei Ejemplo 2 sustituyendo la lente de colimación por un sistema de lentes, en e! caso de los dispositivos para colimar, y no se duplicaron los desfases de las redes de difracción de las ventanas 4 de la máscara S. En este caso los desfases fueron a inten/alos 38ü°/16. Un ejemplo con 16 ventanas se muestra en la Figura 1 1. Ejemplo 4.

Se fabricaron dispositivos idénticos a los descritos en el Ejemplo 2 con N~32 ventanas, situándolas en 4 columnas de 8 ventanas tal y como se muestra en la Figura 9. Como fuente de luz se utilizó un diodo LED de longitud de onda diferente: A ······ 650 manómetros .

Ejemplo 5. Se fabricaron dispositivos idénticos a los descritos en eí Ejemplo 2 con N-72 ventanas, pero situando las ventanas en 9 columnas, ta! y como se muestra en la Figura 10. Como elemento colimador cuando fue necesario incluirlo, se utilizó un Elemento Óptico Difractivo en lugar de una lente. Ejemplo 8,

Se fabricaron dispositivos idénticos a ios descritos en los ejemplos 1 -5 pero se uso una matriz bidimensionai de fotodetectores para la adquisición de datos. En unos casos se utilizó una cámara CMOS -modelo D K 72BUC02 de Imaging Source- y en otros una cámara CCD -modelo DMK 51 AÜ02.AS de Imaging Source- En estos casos, la máscara se simula mediante software, integrando la luz que llega a ios psxeles correspondientes de la cámara.

Ejemplo 7.

Se fabricaron dispositivos idénticos a ios descritos en el Ejemplo 2 utilizando oomo fuente de luz un diodo láser en lugar de un LED. Ejemplo 8.

Se determinó eí grado de colimación de un haz utilizando los dispositivos para tal fin que se describen en ios Ejemplos 1-7. Se hizo pasar un haz de luz a través de cada uno de los dispositivos obteniendo una Figura de L¡ssajous. Observando en tiempo real la representaci n gráfica de ía Figura de Lissajous obtenida en cada caso, se determinó de forma visual si el haz de luz estaba o no estaba colimado adecuadamente. Si la Figura de Lissajous resultaba circular/cuadrada el haz estaba adecuadamente colimado.

Ejemplo 8„

Se determinó el grado de colimación de un haz utilizando los dispositivos para tal fin que se describen en los Ejemplos 1 -7. Para ello se hizo pasar el haz de luz a través del dispositivo de la invención y se obtuvo una Figura de Lissajous. A continuación se obtuvieron los datos de la matriz A de la ecuación

que se resolvió mediante ia inversa de Penrose para obtener e! vector ¡¡ (a,h,c) ζ ~ {Α^τ ' A )^** A^T ' B , (7) a continuación, de z se obtuvieron [os parámetros ¡Ri y R2 de la Figura de Lissajous

(8)

y se calculo la elipticidad de la Figura de Lissajous medíante la ecuación e² o e² , (9)

2b-r c 2 b— c

Ejem lo 10. Se colimó un haz de luz proveniente de una fuente de luz 1 . Para ello se utilizaron los dispositivos que se describen en los Ejemplos 1 -7 e incluyen un elemento de colimación 2. Se hizo pasar un haz de luz a trav s de cada uno de los dispositivos obteniendo una Figura de Lissajous. Observando en tiempo real la representaci n gráfica de la Figura de Lissajous se determinó de forma visual si el haz de luz estaba o rso estaba colimado adecuadamente. Se desplazó la fuente de luz respecto ai elemento de colimación 2, hasta que la Figura de Lissajous resultó circular/cuadrada, de manera que el haz quedaba adecuadamente colimado.

Ejemplo 1 1 ,

Se colimó un haz de luz proveniente de una fuente de luz 1 utilizando los dispositivos que se describen en los Ejempios 1 -7 e incluyen un elemento de colimación 2. Se hizo pasar un haz de luz a través de cada uno de ios dispositivos obteniendo una Figura de Lissajous y se representó en tiempo real la elipticidad de ia Figura de Lissajous. Se fue desplazando la fuente de luz respecto al elemento de colimación 2, y monitorizando la elipticidad de la misma siguiendo el mismo método que se describe en el ejemplo 9, hasta encontrar ei mínimo, es decir, Δζ~0 que correspondía con la posición de colimación óptima, El resultado experimental obtenido utilizando la configuración del Ejemplo 1 se muestra en la Figura 12. La sncartidumbre en ia distancia entre la fuente de iuz 1 y el elemento colimador 2 resulta δζ~ϋ.ΰ%Ίμνη . La incertidumbre en la divergencia de! haz calculada como δφ ~ D · δζ i 2^■ f² - 1.4 .rad ,

Claims

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo para determinar el grado de colimación de un haz de luz que comprende; ~ una red de difracción 3,

- una máscara 5 que incluye ventanas 4 cada una de ellas con una red de difracción, estando ias redes de difracción de las ventanas 4 desfasadas entre sí.

~ una matriz 7 de fotodetectores 6 cuyo numero es, ai menos, igual a¡ numero de ventanas,

- uno o más elementos de procesamiento de datos 8, donde el número de ventanas N 4 y ei desplazamiento entre las redes de difracci n de cada ventana 4 es igual a 380°/ .

2. Dispositivo según la reivindicación 1 en el que la máscara S incluye 18 ventanas 4.

3. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que ias ventanas 4 están duplicadas con el mismo desfase.

4. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en ei que la distancia ó entre ei eje óptico del haz de luz y el centro de la ventana 4 es ¡a misma para todas ¡as ventanas 4.

5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-3 en el que las ventanas 4 están dispuestas en 4 o más columnas.

6. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que ios fotodetectores 6 se ubican en una distribución bidimensíonal.

7 Dispositivo según la reivindicación 6 en el que ¡a distribución tridimensional es una cámara CMOS o una cámara CCD.

8. Dispositivo según cualquiera de ias reivindicaciones anteriores en el que los elementos para el procesamiento de datos 8 se seleccionan entre el grupo formado por; una placa electrónica, un microprocesador y un ordenador.

9. Dispositivo para colimar un haz de luz que comprende:

- un elemento de colimación 2, - una red de difracción 3,

- una máscara 5 que incluye N ventanas 4 cada una de ellas con una red de difracción, estando ias redes de difracción de las ventanas 4 desfasadas entre sí,

·· una matriz 7 de fotodetectores 6 cuyo número es, al menos, igual al número de ventanas, - uno o más elementos de procesamiento de datos 8, donde el número de ventanas N > 4.

10. Dispositivo según la reivindicación 9 en el que ei elemento de colimación 2 es una lente, un conjunto de lentes o un Elemento Óptico Difractívo,

1 1 . Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 9-10 en el que la máscara S incluye 18 ventanas 4.

12. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 9-1 1 en el que el desplazamiento entre las redes de difracción de cada ventana 4 es igual a 360°/N, donde N es ei número de ventanas 4.

13. Dispositivo según cualquiera de ¡as reivindicaciones 9-12 en el que ¡as ventanas 4 están duplicadas con el mismo desfase.

14. Dispositivo según cualquiera de ¡as reivindicaciones 9-13 en el que la distancia o⁵ entre el eje óptico de¡ haz de luz y el centro de la ventana 4 es la misma para todas las ventanas 4.

15. Dispositivo según cualquiera de ¡as reivindicaciones 9-13 en el que ¡as ventanas 4 están dispuestas en 4 o más columnas.

18. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 9-15 en el que ios folodetectores S se ubican en una distribución bidimensional.

17. Dispositivo según la reivindicación 16 en el que la distribución bidimensional es una cámara CfvIQS o una cámara CCD.

18. Dispositivo según cuaiquiera de las reivindicaciones 9-17 en el que los elementos para el procesamiento de datos 8 se seleccionan entre el grupo formado por: una placa electrónica, un microprocesador y un ordenador.

19. Método para determinar el grado de colimación de un haz de luz que incluye los siguientes pasos: a) hacer pasar el haz de ¡uz a través de un dispositivo según se define en las reivindicaciones 1-8, b) obtener una Figura de Lissajous, c) determinar el grado de elipticidad de ¡a Figura de Lissajous.

20. Método según la reivindicación 19 en el que el grado de elipticidad de la Figura de Ussajous se determina medíante medición visual.

21, Método según la reivindicación 19 en el que el grado de elipticidad de la Figura de Ussajous se determina matemáticamente añadiendo ios siguientes pasos: o) obtener experimentalmente los datos de la matriz A de la ecuación

donde z-(a, b, c) se obtienen a partir de datos experimentales {SA y Ss} de las señales detectadas por ios tote-detectores 6 y donde ¾ = (x — y^' )² , v ^™ (x -*- yf) y asi sucesivamente, mediante ia resolución de la ecuación

e) obtener los parámetros Ri y R2 de Ía ecuación

f) obtener la elipticidad e según ia ecuación

seleccionando el parámetro de elipticidad, e_s con valor positi'

22. Método para colimar un haz de iuz que incluye los siguientes pasos: a) hacer pasar el haz de iuz a través de un dispositivo según se define en las reivindicaciones 9-18, b) obtener una Figura de Lissajous, c) determinar el grado de elipticidad de la Figura de Líssajous, d) desplazar la fuente de luz 1 con respecto al elemento de colimación 2, a lo largo del eje óptico, e) momtonzar el parámetro de elipticidad e del paso c) f) detener el desplazamiento de la fuente de luz 1 cuando el parámetro e sea mínimo, teniendo en cuenta que los pasos c) y d) se realizan simultáneamente o consecutivamente y que por mínimo se entiende el menor valor posible de la elipticidad a io largo de la medida completa.

23. Método para colimar un haz de luz según la reivindicación 22 en el que el paso c) se realiza mediante medición visual.

24. Método para colimar un haz de luz segdn la reivindicación 22 en el que el paso c) se realiza matemáticamente siguiendo ios siguientes pasos: i) obtener los datos de la matriz A de la ecuación

donde z~(a_¡ b, c) se obtienen a partir de datos experimentales {SA y SB} de las señales detectadas por los foíodeíecíores 6 y donde ¾ = (x\ - )² , v_t ~ (x + y( ^' ) y así sucesivamente, mediante la resolución de la ecuación

ii) obtener los parámetros Ri y R? de !a ecuación

iii) obtener la elipticidad e según la ecuación

seleccionando el parámetro de elipticidad, e, con valor positivo.