ES2215216T3 - Dispositivo para determinar los defectos de fase de ondas electromagneticas. - Google Patents
Dispositivo para determinar los defectos de fase de ondas electromagneticas.Info
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Abstract
LA PRESENTE INVENCION CONSISTE EN UN DISPOSITIVO PARA DETERMINAR LOS DEFECTOS DE FASE DE ONDAS ELECTROMAGNETICAS (OE), QUE COMPRENDE UN SISTEMA DE RECEPCION (SM) FORMADO POR UN PLANO DE MEDIDA (PM), UN SISTEMA DE DESFOCALIZACION (SD1), QUE ENVIA AL SISTEMA DE RECEPCION (SM) UN PAR DE PLANOS CONJUGADOS DEL PLANO PUPILAR DE UN INSTRUMENTO OPTICO, Y UNA UNIDAD DE CALCULO (UC), QUE DETERMINA LOS DEFECTOS DE FASE A PARTIR DE LAS MEDIDAS REGISTRADAS. - SEGUN LA INVENCION, EL DISPOSITIVO COMPRENDE ADEMAS UN FILTRO ESPACIAL (F) DISPUESTO EN EL PLANO DE IMAGEN DEL INSTRUMENTO OPTICO Y FORMADO DE TAL MANERA QUE LIMITA LA SUPERFICIE DE UNA FUENTE LUMINOSA CAPTADA POR EL SISTEMA DE RECEPCION (SM), AL TIEMPO QUE PERMITE LA TRANSMISION DEL ESPECTRO ESPACIAL DE LOS DEFECTOS DE FASE.
Description
Dispositivo para determinar los defectos de fase
de ondas electromagnéticas.
La presente invención se refiere a un dispositivo
para determinar los defectos de fase de ondas electromagnéticas
generadas por una fuente luminosa y transmitidas por un instrumento
óptico. Dicho dispositivo se aplica más particularmente en el caso
donde la fuente luminosa es amplia.
Tales defectos de fase son:
- -
- ya sean permanentes, por ejemplo cuando están generados por unas deformaciones constantes de un elemento óptico, tal como un espejo;
- -
- ya sean variables en el tiempo, por ejemplo cuando están generados por unas turbulencias de la atmósfera.
El conocimiento de tales defectos de fase de
ondas electromagnéticas puede utilizarse, en especial:
- -
- para evaluar las calidades ópticas del instrumento óptico considerado, por ejemplo un telescopio o
- -
- para determinar las órdenes de mando de un medio de corrección, por ejemplo un espejo deformante, dispuesto en el trayecto de dichas ondas electromagnéticas y destinado a corregir dichos defectos de fase.
Son conocidos varios dispositivos susceptibles de
determinar dichos defectos de fase de ondas electromagnéticas. Un
primer dispositivo que se conoce por el nombre de "Shack
Hartmann" comporta, a este efecto, una batería de microlentes
que generan las imágenes de la fuente en un receptor del tipo con
dispositivo de transferencia de carga (DTC en francés o CCD en
inglés "Charge Coupled Device"). Con dicho dispositivo, basta
calcular los baricentros de dichas imágenes y determinar sus
desplazamientos en relación con un origen fijo.
Sin embargo, este dispositivo que es eficaz para
unas fuentes puntuales está mal adaptado para unas fuentes amplias y
difícilmente puede realizarse el tratamiento de imagen postulado en
tiempo real.
Un segundo dispositivo conocido para determinar
unos defectos de fase es un interferómetro diferencial. Dicho
interferómetro utiliza una imagen de la pupila del instrumento
óptico y comporta un elemento óptico birrefringente que desdobla
dicha imagen de la pupila. Las dos imágenes parciales obtenidas
están desfasadas aproximadamente un cuarto de longitud de onda.
Dicho interferómetro diferencial comporta, además, unos medios para
medir las iluminaciones resultantes de las interferencias producidas
entre estas dos imágenes parciales, unas iluminaciones que son
proporcionales a la pendiente local de las deformaciones de la
superficie de onda, lo que permite determinar dichos defectos de
fase.
Sin embargo, este dispositivo conocido no permite
medir todos los tipos de defectos de fase, ya que aparecen
ambigüedades en las mediciones, particularmente cuando dichas
pendientes locales son demasiado acusadas.
Un tercer dispositivo conocido es un analizador
de curvas, por ejemplo tal como el que se describe en un artículo
de Roddier, Northcott y Graves, titulado "A simple
low-order adaptive optics system for
near-infrared applications" y publicado en la
revista "Publications of the Astronomical Society of the
Pacific" en enero de 1991. Dicho analizador de curvas
comporta:
- -
- un sistema de recepción que comprende un plano de medición dotado de una pluralidad de zonas de medición provistas de fotodiodos susceptibles de medir la intensidad de la luz recibida. A este efecto, dicho sistema de recepción comporta una batería de lentes que focalizan las ondas electromagnéticas en dichos fotodiodos;
- -
- una lente de colimación para enviar las ondas electromagnéticas transmitidas por dicho instrumento óptico, a dicho plano de medición;
- -
- un sistema de desfocalización constituido por una lente o un espejo con foco variable y susceptible de enviar a dicho sistema de recepción para su medición, al menos un par de planos asociados conjugados del plano pupilar del instrumento óptico; y
- -
- una unidad de cálculo que determina dichos defectos de fase, a partir de las mediciones realizadas por dicho sistema de recepción en dichos planos asociados.
El dispositivo presentado más arriba es
satisfactorio, tanto en su puesta en práctica, como en la precisión
de sus mediciones, cuando las ondas electromagnéticas a analizar
son generadas por una fuente puntual o reducida espacialmente. Sin
embargo, este dispositivo no se puede utilizar para las fuentes
amplias.
La presente invención tiene por objeto remediar
estos inconvenientes. Se refiere a un dispositivo del tipo del
último que se menciona, susceptible de determinar, de forma rápida
y precisa, si fuera necesario en tiempo real, los defectos de fase
de ondas electromagnéticas generadas por una fuente luminosa y
transmitidas por un instrumento óptico, y sea cual sea el tamaño de
la fuente luminosa, es decir, tanto para una fuente puntual, como
para una fuente espacialmente amplia.
A este efecto, según la invención, el dispositivo
para determinar los defectos de fase de ondas electromagnéticas
generadas por una fuente luminosa y transmitidas por un instrumento
óptico comporta las características de la reivindicación 1. Las
reivindicaciones dependientes definen unos modos de realización
adicionales.
Según la invención, se elige dicho filtro en
función de la naturaleza de los defectos de fase a determinar, para
maximizar el contraste de las imágenes detectadas en el plano de
medición.
Por consiguiente, el dispositivo según la
invención permite realizar mediciones, tanto para unas fuentes
limitadas espacialmente (eventualmente puntuales) como para unas
fuentes que presenten unas extensiones espaciales incluso para
fuentes que presenten una extensión superior al campo observado por
el instrumento óptico.
De preferencia, se realiza dicho filtro bajo
forma de una máscara opaca dotada de un orificio. Naturalmente, es
necesario que el diámetro de este orificio sea superior a la mancha
de aberración producida por los defectos de fase en dicho plan de
imagen del instrumento óptico.
En un primer modo de realización ventajoso de la
invención, dicho filtro presenta un perfil de la intensidad
luminosa transmitida, de tipo gausiano, mientras que en un segundo
modo de realización particularmente ventajoso, dicho filtro
presenta un perfil en amplitud y en fase, de la intensidad luminosa
transmitida que corresponde al perfil en amplitud y en fase de las
aberraciones ópticas debidas a los defectos de fase a
determinar.
De forma ventajosa, cada una de las zonas de
medición del sistema de recepción está provista de un receptor
fotoeléctrico del tipo con dispositivo de transferencia de
carga.
Así, el sistema de recepción presenta un buen
muestrario espacial, al contrario que el sistema de recepción
conocido, recordado más arriba y dotado de una batería de
lentes.
De preferencia, la unidad de cálculo determina
los defectos de fase a partir de las amplitudes de una pluralidad
de modos que corresponden a unas formas geométricas determinadas,
por ejemplo los modos de Zernike.
En este caso, de forma ventajosa, dicha unidad de
cálculo determina, si fuera necesario en tiempo real, las amplitudes
de dichos modos, teniendo en cuenta las mediciones realizadas por
dicho sistema de recepción, y esto:
- -
- en un primer modo de realización, por medio de un cálculo matricial; y
- -
- en un segundo modo de realización, por medio de un cálculo de tipo neuronal, que permite tener en cuenta las no linealidades.
Por otra parte, en un modo de realización
ventajoso de la invención, el sistema de desfocalización comporta
unos medios para separar las ondas electromagnéticas en dos haces
parciales y unos medios para enviar dichos haces parciales a dos
zonas de recepción diferentes del plano de medición, haciéndoles
recorrer unos trayectos con longitudes diferentes, de manera que
dicho sistema de recepción sea susceptible de medir simultáneamente
los dos planos asociados, respectivamente en dichas zonas de
recepción.
recepción.
En otro modo de realización particularmente
ventajoso, dicho sistema de desfocalización comporta unos medios
para separar dichas ondas electromagnéticas en dos haces parciales
y dicho sistema de recepción comporta dos planos de medición
separados, recibiendo, cada uno, uno de dichos haces parciales,
estando dichos planos de medición dispuestos de manera que midan
simultáneamente, uno de dichos planos asociados,
respectivamente.
En este caso, dichos planos de medición están
montados de forma ventajosa, sobre un equipo móvil, cuyo
desplazamiento modifica la distancia respectivamente entre dichos
planos asociados medidos y el plano de imagen del instrumento
óptico.
Se deducirá de las figuras del dibujo adjunto
como puede realizarse la invención. En estas figuras, referencias
idénticas designan elementos semejantes.
La figura 1 muestra esquemáticamente un
dispositivo según la invención, en un primer modo de
realización.
La figura 2 ilustra esquemáticamente los planos
medidos con ocasión de la puesta en práctica de la invención.
La figura 3 muestra esquemáticamente un
dispositivo según la invención, en un segundo modo de
realización.
El dispositivo 1 según la invención y
representado esquemáticamente en las figuras 1 y 3, respectivamente
en un primer y segundo modos de realización, está destinado a medir
los defectos de fase de ondas electromagnéticas OE generadas por
una fuente luminosa no representada y transmitidas por un
instrumento óptico, por ejemplo un telescopio, igualmente no
representado. Se observará que por razones de claridad del dibujo,
no se han respetado las escalas en las figuras 1 y 3.
Dicho dispositivo 1 es de un tipo conocido que
comporta:
- -
- un sistema de recepción SM que comprende al menos un plano de medición PM dotado de una pluralidad de zonas de medición ZM susceptibles de medir la intensidad de la luz recibida;
- -
- un sistema óptico, a saber una lente LI, que colima las ondas electromagnéticas OE transmitidas por dicho instrumento óptico, sobre dicho plano de medición PM;
- -
- un sistema de desfocalización SD1 o SD2 susceptible de enviar a dicho sistema de recepción SM para su medición, al menos un par de planos asociados P1 y P2, conjugados del plano pupilar del instrumento óptico e igualmente representados en la figura 2; y
- -
- una unidad de cálculo UC que determine dichos defectos de fase, a partir de mediciones realizadas por dicho sistema de recepción SM y recibidas por medio de una conexión 2.
Gracias al sistema de desfocalización SD1 o SD2,
el sistema de recepción SM es por lo tanto susceptible de medir la
intensidad luminosa de dos planos asociados P1 y P2, representados
en la figura 2. Según la invención, estos dos planos asociados P1 y
P2 son imágenes de la pupila (ver lente L2) del instrumento óptico
no representado. En la figura 2, se observa igualmente el plano PS,
plano de imagen de la fuente. Los planos P1 y P2 están situados a
una misma distancia 1 a ambos lados del plano de medición PM del
sistema de recepción SM.
La diferencia entre las intensidades luminosas
medidas respectivamente para estos dos planos P1 y P2 proporciona
un valor representativo de la curvatura local que corresponde a la
superficie de onda de dichas ondas electromagnéticas OE. Este
principio está explicitado en el artículo mencionado de Roddier,
Northcott y Graves. Este valor es por lo tanto igualmente
representativo del defecto de fase correspondiente buscado.
La unidad de cálculo UC determina los defectos de
fase a partir de las mediciones proporcionadas por el sistema de
recepción SM, al poner en práctica el citado método de cálculo.
Dicha unidad de cálculo UC es susceptible de
proporcionar los resultados de sus cálculos, por medio de una
conexión 3, a un dispositivo utilizador, y particularmente a un
ordenador no representado destinado a elaborar las órdenes de mando
de un espejo deformable no representado, de tipo conocido, dispuesto
en la trayectoria de las ondas electromagnéticas OE y destinado a
corregir los defectos de fase de estas últimas.
El dispositivo de determinación de defectos de
fase, tal como se ha descrito anteriormente, es únicamente
susceptible de realizar mediciones para unas fuentes puntuales o de
dimensión reducida, y no para unas fuentes espacialmente
amplias.
Para remediar este inconveniente, el dispositivo
1 comporta además, según la invención, un filtro espacial F
constituido por una máscara opaca dotada de un orificio T, y
dispuesta en dicho plano de imagen PI del instrumento óptico. Este
filtro F está formado de manera que limite la superficie de la
fuente luminosa vista por dicho sistema de recepción SM, mientras
permita la transmisión del espectro espacial de los defectos de
fase a determinar.
Se ha elegido dicho filtro F en función de la
naturaleza de los defectos de fase a determinar, para maximizar el
contraste de las imágenes detectadas en el plano de medición
PM.
Por consiguiente, dicho dispositivo 1 según la
invención permite realizar mediciones, tanto para unas fuentes
limitadas espacialmente, como para unas fuentes espacialmente
amplias, incluso para unas fuentes que presenten una extensión
espacial superior al campo observado por el instrumento óptico.
Se observará que el diámetro del orificio T debe
ser superior al diámetro de la mancha de aberración producida por
los defectos de fase, en dicho plano de imagen PI. Si no fuera así,
las altas frecuencias de los defectos de fase serían eliminadas por
el filtro F.
En un primer modo de realización de la invención,
el filtro F presenta un perfil de la intensidad luminosa
transmitida, de tipo gausiano.
Por el contrario, en el caso de que se conozca el
perfil en amplitud y en fase de las aberraciones debidas a los
defectos de fase a determinar, se utiliza de preferencia, si fuera
posible, un filtro óptimo adaptado, cuyo perfil en amplitud y en
fase corresponda a dicho perfil conocido.
En una realización particular, con el fin de
obtener un buen muestrario espacial, las zonas de medición ZM están
constituidas cada una por un receptor fotoeléctrico no
representado, del tipo con dispositivo de transferencia de carga, de
manera que el plano de medición PM esté dotado de una matriz de N x
M receptores (como por ejemplo N = M = 128).
Además, el sistema de desfocalización SD1
comporta:
- -
- un espejo semitransparente ST1 que separa las ondas electromagnéticas OE en dos haces parciales FP1 y FP2, de los que un FP1 es enviado directamente a una zona de recepción PM1 del plano de medición PM; y
- -
- un juego de espejos M1, M2 y M3 que envía el haz parcial FP2 a una zona de recepción PM2 del plano de medición PM, adyacente a la zona de recepción PM1.
Como puede verse en la figura 1, los haces
parciales FP1 y FP2 recorren, en este caso, trayectos de longitudes
diferentes entre el espejo semitransparente ST1 y el plano de
medición PM.
Se eligen estas diferencias de longitud de manera
que la zona de medición PM1 mida la intensidad luminosa
representativa del plano P1 de la figura 2 y la zona de medición
PM2 mida simultáneamente la intensidad luminosa representativa del
plano P2, según se ilustra en la figura 1.
Al contrario de un dispositivo focal variable, el
sistema de desfocalización SD1, tal como se ha descrito
anteriormente, permite por lo tanto realizar simultáneamente las
mediciones para los dos planos asociados P1 y P2.
Naturalmente, los espejos M1 y M3 pueden ser
sustituidos por otros elementos ópticos, como por ejemplo un juego
de prismas para dirigir el haz parcial FP1 a la zona de recepción
PM1 con una longitud de trayecto superior a la del haz parcial
FP2.
En otro modo de realización de la invención,
representada en la figura 3:
- -
- el sistema de recepción SM comprende dos planos de medición PM3 y PM4 separados el uno del otro y conectados a la unidad de cálculo UC respectivamente por unas conexiones 2A y 2B; y
- -
- el sistema de desfocalización SD2 comprende un espejo semitransparente ST1 para generar dos haces parciales FP1 y FP2, en el que el FP2 es enviado directamente al plano de medición PM4 y el otro FP1 es enviado a un espejo M4 que lo reenvía al plano de medición PM3.
Los trayectos de dichos haces parciales FP1 y FP2
presentan unas longitudes diferentes, como en el modo de realización
de la figura 1, por las mismas razones precitadas, necesarias para
la puesta en práctica de la invención.
Además, los planos de medición PM3 y PM4 están
montados sobre un equipo mecánico 5, representado parcial y
esquemáticamente en la figura 3, y móvil en traslación, como se
ilustra por las flechas E. El desplazamiento de este equipo móvil 5
alarga o acorta (según el sentido) simultáneamente las distancias 1
entre los planos P1 y P2 y los planos de medición PM3 y PM4,
respectivamente.
Se observará que se puede igualmente concebir
dicho equipo móvil cuando el sistema de recepción comporta un único
plano de medición dotado de dos zonas de recepción separadas, como
en el modo de realización de la figura 1.
Claims (11)
1. Dispositivo para determinar los defectos de
fase de ondas electromagnéticas (OE) generadas por una fuente
luminosa y transmitidas por un instrumento óptico, comportando
dicho dispositivo (1):
- -
- un sistema de recepción (SM) que comprende al menos un plano de medición (PM, PM3, PM4) dotado de una pluralidad de zonas de medición (ZM) susceptibles de medir la intensidad de la luz recibida;
- -
- un medio de colimación (L1) para enviar las ondas electromagnéticas (OE) transmitidas por dicho instrumento óptico, a dicho plano de medición (PM, PM3, PM4);
- -
- un sistema de desfocalización (SD1, SD2) susceptible de enviar a dicho sistema de recepción (SM), para su medición, al menos un par de planos asociados (P1, P2), conjugados del plano pupilar del instrumento óptico; y
- -
- una unidad de cálculo (UC) que determina dichos defectos de fase, a partir de las mediciones realizadas por dicho sistema de recepción (SM) en dichos planos asociados (P1, P2),
caracterizado porque comporta además un
filtro espacial (F) dispuesto en el plano objeto (PI) del medio de
colimación (L1), y porque se realiza dicho filtro espacial (F) bajo
forma de máscara opaca dotada de un orificio (T) que está formado
de manera que limite la superficie de la fuente luminosa vista por
dicho sistema de recepción (SM), permitiendo a la vez la
transmisión del espectro espacial de dichos defectos de fase.
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque el diámetro del
orificio (T) de dicha máscara opaca del filtro espacial (F) es
superior al diámetro de la mancha de aberración producida por los
defectos de fase, en dicho plan objeto del medio de colimación
(L1).
3. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 ó 2,
caracterizado porque dicho filtro (F)
presenta un perfil de la intensidad luminosa transmitida, de tipo
gausiano.
4. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 ó 2, para determinar los defectos de fase de
ondas electromagnéticas (OE), para las cuales se conoce el perfil
en amplitud y en fase de las aberraciones ópticas debidas a dichos
defectos de fase,
caracterizado porque dicho filtro (F)
presenta un perfil en amplitud y en fase, de la intensidad luminosa
transmitida, correspondiente a dicho perfil en amplitud y en fase
de las aberraciones ópticas debidas a los defectos de fase a
determinar.
5. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4,
caracterizado porque cada una de las zonas
de medición (ZM) del sistema de recepción (SM) está provista de un
receptor fotoeléctrico del tipo con dispositivo de transferencia de
carga.
6. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, estando dichos defectos de fase
constituidos por una pluralidad de modos correspondiente a unas
formas geométricas determinadas,
caracterizado porque la unidad de cálculo
(UC) está dispuesta para determinar las amplitudes de dichos modos
por medio de un cálculo matricial, teniendo en cuenta las
mediciones realizadas por dicho sistema de recepción.
7. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, estando dichos defectos de fase
constituidos por una pluralidad de modos que correspondan a unas
formas geométricas determinadas,
caracterizado porque la unidad de cálculo
(UC) está dispuesta para determinar las amplitudes de dichos modos
por medio de un cálculo de tipo neuronal, teniendo en cuenta las
mediciones realizadas por dicho sistema de recepción.
8. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque la unidad de cálculo
(UC) está dispuesta para realizar los cálculos en tiempo real.
9. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8,
caracterizado porque dicho sistema de
desfocalización (SD1) comporta unos medios (ST1) para separar las
ondas electromagnéticas (OE) en dos haces parciales (FP1, FP2) y
unos medios (M1, M2, M3) para enviar dichos haces parciales (FP1,
FP2) en dos zonas de recepción diferentes (PM1, PM2) del plano de
medición (PM), haciéndoles recorrer unos trayectos de longitudes
diferentes de manera que dicho sistema de recepción (SM) sea
susceptible de medir simultáneamente los dos planos asociados (P1,
P2), respectivamente en dichas zonas de recepción (PM1, PM2).
10. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8,
caracterizado porque dicho sistema de
desfocalización (SD2) comporta unos medios (ST2) para separar
dichas ondas electromagnéticas (OE) en dos haces parciales (FP1,
FP2) y porque dicho sistema de recepción (SM) comporta dos planos
de medición separados (PM3, PM4), que reciben cada uno haces
parciales (FP1, FP2), estando dichos planos de medición (PM3, PM4)
dispuestos de manera que midan simultáneamente uno de dichos dos
planos asociados (P1, P2) respectivamente.
11. Dispositivo según la reivindicación 10,
caracterizado porque dichos planos de
medición (PM3, PM4) están montados en un equipo móvil (5) sobre el
que el desplazamiento modifica la distancia (1) entre dichos planos
asociados medidos (P1, P2) y el plano de imagen (PI) del
instrumento óptico, respectivamente.
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