ES2335637B1 - Dispositivo optico y procedimiento para la reconstruccion y la compensacion del frente de ondas proveniente de un elemento optico complejo. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo óptico y procedimiento para la
reconstrucción y la compensación del frente de ondas proveniente de
un elemento óptico complejo.
El dispositivo óptico de compensación comprende
esencialmente una fuente de luz puntual, un colimador óptico, un
polarizador lineal, un elemento óptico complejo tal como una lente
oftálmica progresiva, opcionalmente un prisma compensador, un
divisor de haz de película delgada, un elemento óptico activo que
permite modificar la fase del frente de ondas, un sistema óptico
afocal reductor, un filtro óptico antidifracción de densidad neutra,
un segundo divisor de haz de película delgada, un sensor de frente
de ondas de muy elevado rango dinámico de medida, un sistema de
inversión conectado al sensor, y un sistema de control. La invención
proporciona un dispositivo de tecnología óptica que permite
caracterizar de manera rápida y precisa elementos ópticos complejos
de relativamente gran tamaño, mediante la medida de los frentes de
ondas que transmiten o reflejan, y permite modificar la forma del
frente de ondas a un coste muy reducido.
Description
Dispositivo óptico y procedimiento para la
reconstrucción y la compensación del frente de ondas proveniente de
un elemento óptico complejo.
La presente solicitud de Patente de Invención
consiste, conforme indica su enunciado, en un dispositivo óptico y
el procedimiento asociado para la reconstrucción y la compensación
del frente de ondas transmitido o reflejado por un elemento óptico
complejo, en particular una lente oftálmica compleja.
La presente invención proporciona un método de
análisis de elementos ópticos de formas complejas sin contacto que,
por lo tanto, no altera, modifica ni destruye el elemento a medir.
Asimismo, se caracteriza por ser relativamente insensible a
vibración y además poder trabajar en condiciones de luz ambiente;
por lo tanto, es compatible con un ambiente industrial de
producción.
La presente invención proporciona también un
método preciso de compensación activa de frentes de ondas de
relativamente gran tamaño y complejidad.
Nos referimos al término "frente de ondas"
como el lugar geométrico de los puntos del medio que en el mismo
instante son alcanzados por una onda; de tal modo que representa una
forma espacial determinada.
Entendemos por el término "elementos ópticos
complejos" a aquellos elementos fabricados por la industria
óptica tales como espejos, prismas, lentes y moldes de lentes, cuyas
superficies tienen formas complejas y/o arbitrarias
(free-form); por tanto, alejadas de las
simples formas planas y esféricas convencionales. Ejemplos de
elementos ópticos complejos son las lentes de formas arbitrarias,
las lentes exoftálmicas multiformes y progresivas, las lentes de
contacto multiformes y progresivas, así como también los moldes para
producir algunas de estas lentes.
Los elementos ópticos complejos, tales como las
lentes oftálmicas progresivas, presentan importantes cambios
espaciales en la forma de sus superficies dadas por las distintas
curvaturas locales de sus superficies. Hoy en día, las lentes
progresivas se diseñan de manera cada vez más personalizada para
cada usuario con el fin de mejorar sus prestaciones y
confortabilidad, de tal modo que las lentes progresivas actuales
tienen formas más complejas.
Dicha mayor complejidad de las lentes hace
también necesarios, por lo tanto, instrumentos que sean capaces de
medirlas apropiadamente para el proceso de control de calidad del
producto.
Muchos de los instrumentos actualmente en uso
son sistemas de medida mecánicos, cuya principal ventaja es su alto
rango dinámico de medida, pero presentan importantes inconvenientes
como la lentitud de medición y el riesgo de dañado de las
superficies extremadamente pulidas de las lentes al tratarse de una
técnica de contacto. Más recientemente, han ido apareciendo otros
instrumentos de tecnología óptica basados en al análisis del frente
de ondas luminoso que se hace interaccionar con la lente para la
medida de sus características. Estos instrumentos tienen la ventaja
de no dañar la lente, pero generalmente suelen ser también lentos
para analizar áreas relativamente grandes, dado que su rango
dinámico de medida es más limitado.
La presente invención, por tanto, tiene como uno
de sus objetivos principales el proporcionar un dispositivo de
tecnología óptica que permita caracterizar de manera rápida y
precisa elementos ópticos complejos de relativamente gran tamaño,
mediante la medida de los frentes de ondas que transmiten o
reflejan.
En ese sentido, la solicitud de patente española
nº 100,501,865 del mismo solicitante describe y reivindica un sensor
de microlentes cilíndricas, especialmente adaptado para la medida de
frentes de ondas complejos, y que es un elemento integrante del
dispositivo de la presente solicitud.
Además de servir para el proceso de control de
calidad del elemento óptico final fabricado, en particular una lente
progresiva, por medio de la medida del frente de ondas asociado -tal
y como ya ha sido comentado-, el dispositivo de la presente
solicitud tiene como otro de sus objetivos el proporcionar una
compensación activa del frente de ondas con un aparato dinámico que
permita modificar la forma del frente de ondas. Preferentemente,
este aparato será un modulador espacial de fase de cristal líquido,
o un espejo deformable micromecanizado.
La funcionalidad del citado aparato en el
dispositivo de invención radica en que, al ser un elemento dinámico,
permite realizar una compensación del frente de ondas complejo de
interés, a un coste muchísimo más reducido, tanto a nivel de tiempo
como a nivel económico, que el asociado con un elemento estático
compensador convencional (por ejemplo, una lente
null-test o una placa de fase).
Las distintas aplicaciones que podría tener esta
invención se citan a continuación:
i) Null-test dinámico para
control de calidad de elementos ópticos. El proceso de control
de calidad de un elemento óptico fabricado, y en particular una
lente progresiva, se realiza midiendo diferentes parámetros de la
lente. Por ejemplo, a partir de la medida del frente de ondas
transmitido por la lente, se puede obtener su mapa de potencia
esférica, su mapa de astigmatismo (isocilindro), o la magnitud de
sus diferentes aberraciones (coeficientes de Zernike). Si en
vez de por transmisión, se mide la superficie de interés de la lente
por reflexión, se puede obtener, por ejemplo, la topografía
superficial, su mapa de potencia esférica superficial (isopotencia),
o su mapa de astigmatismo superficial (isoastigmatismo). Todo lo
citado puede ser obtenido con el presente dispositivo de invención.
Pero, alternativamente, y con el objetivo de ganar en sencillez y
rapidez, podría hacerse un proceso de control de calidad de las
lentes fabricadas por medio de un null-test.
El principio del null-test consiste en
compensar de forma conocida la lente, de manera que el resultado de
la compensación sea sencillo de interpretar mediante una simple y
rápida inspección visual. Para analizar, por ejemplo, una partida de
un centenar de lentes progresivas iguales fabricadas en serie,
habría que fabricar también la lente inversa teórica
(null-test) con gran precisión de modo que
las compense, permitiendo así obtener un frente de ondas resultante
simple (por ejemplo, un frente de ondas plano). Las diferencias,
respecto al frente plano, resultantes de la compensación de cada
lente analizada, permitirla determinar a simple vista errores de
fabricación. En particular, la presente invención permitirla simular
en el modulador de fase el frente de ondas teórico inverso al de
interés -de modo rápido y económico al ser un proceso reversible, en
contraposición con la fabricación física del elemento compensador-,
y posteriormente detectar el frente resultante con un sensor de
frente de ondas, por ejemplo el que se describe y reivindica en la
patente española nº 100501865 anteriormente citada. La simple
visualización de posibles zonas de no rectitud de las lineas focales
horizontales y verticales detectadas, permitirla conocer zonas
erróneas de las lentes que han sido fabricadas.
ii) Compensación de aquellas aberraciones que
sean indeseadas del frente de ondas transmitido o reflejado por un
elemento óptico. Si bien en el apartado i) se describía la
aplicabilidad de la invención en el control de calidad de elementos
ópticos ya fabricados, en este apartado se describe su aplicabilidad
como dispositivo para la mejora del proceso mismo de fabricación de
dichos elementos, y en particular de lentes progresivas.
Convencionalmente, el proceso de fabricación comienza con el diseño
por software de la lente. A partir de él se fabrica el primer
prototipo, se realizan estudios clínicos para evaluar sus
prestaciones y, en caso de ser favorables, se termina fabricando la
lente a gran escala. En caso de que dichos estudios clínicos sean
desfavorables, se repite el proceso con el diseño modificado. El
primer paso del proceso parte, pues, de un diseño teórico que queda
plasmado en la lente prototipo real. Al tratarse de un salto de lo
teórico a lo real, es posible encontrar diferencias; es decir, que
la lente fabricada no sea totalmente fiel al diseño teórico,
especialmente para los diseños más complejos. Dicho error seria
arrastrado al posterior estudio clínico. La utilización de la
presente invención en el análisis y eventual compensación del frente
de ondas asociado a la lente prototipo, ayudarla a eliminar los
mencionados errores de fabricación. Los errores detectados al medir
el frente (aberraciones indeseadas) serían, a continuación,
compensados por medio del modulador de fase. El resultado sería
nuevamente medido por el sensor de microlentes cilíndricas, con el
fin de poder verificar las implicaciones reales de la corrección.
Finalmente, esta corrección real seria introducida como entrada a
una máquina repulidora -externa a la presente invención- que
actuaría mecánicamente sobre la lente prototipo, dándole la forma
requerida.
El dispositivo óptico de medida, reconstrucción
y compensación objeto de la presente invención comprende
principalmente los siguientes componentes:
- -
- una fuente de luz puntual;
- -
- un colimador óptico, adaptado para homogeneizar las trayectorias o rayos que emitidos por la fuente luminosa salen en todas direcciones, de modo que se obtenga un conjunto de rayos paralelos;
- -
- un polarizador lineal;
- -
- un elemento óptico complejo, preferentemente colocado en posición frontal respecto a la dirección del frente de ondas entrante, y en el caso particular de ser una lente oftálmica progresiva además ligeramente inclinada (unos 12º) para reproducir el ángulo pantoscópico natural de posicionamiento de la lente para el usuario, estando ubicado el elemento óptico complejo en un soporte mecánico que estará dotado de unos medios de posicionamiento adaptados para permitir por un lado un movimiento lineal micrométrico transversal (plano XY) y longitudinal (Z) , y por el otro lado un movimiento rotacional micrométrico en torno a los 3 ejes coordenados espaciales (X, Y, Z);
- -
- opcionalmente, un prisma compensador dispuesto entre el elemento óptico complejo y un divisor de haz de película delgada, estando el prisma compensador adaptado para compensar los efectos prismáticos elevados en aquellos elementos ópticos complejos que los tuvieran;
- -
- un divisor de haz (beam-splitter) de película delgada dispuesto entre el elemento óptico complejo y un modulador de fase activo, estando situado inclinado en un ángulo de 45º respecto a la dirección del frente de ondas entrante de modo que lo direccione hacia el modulador de fase activo;
- -
- un elemento óptico activo que permita modificar la fase del frente de ondas, preferentemente un modulador de fase activo de cristal líquido actuando por reflexión, que está adaptado para compensar total ó parcialmente el frente de ondas proveniente del elemento óptico complejo, y se dispone preferentemente en dirección perpendicular al frente de ondas inicial o ligeramente inclinado en anchura (con un ángulo comprendido entre 0º y 2º respecto a la perpendicularidad) para facilitar el filtrado de luz parásita de orden 0 de difracción, si bien -en este último caso- se ha de compensar esta inclinación introduciendo en el modulador la opuesta;
- -
- un sistema óptico afocal reductor, que está adaptado para conjugar ópticamente el modulador de fase activo con un sensor de frentes de ondas, de modo que traslada y reduce en tamaño el frente de ondas resultado de la compensación, para ser medido por el sensor;
- -
- un filtro óptico antidifracción de densidad neutra (bullseye apodizíng filter) con el centro transparente y haciéndose gradualmente oscuro hacia el borde, posicionado dentro del sistema óptico afocal reductor cuando la modulación de fase sea de gran magnitud, que está adaptado para filtrar la luz no modulada en fase correspondiente al orden 0 de difracción que sale del modulador de fase activo de cristal líquido;
- -
- un segundo divisor de haz (beam-splitter) 50/50 de película delgada, que está adaptado para dividir el frente de ondas proveniente del modulador de fase activo en dos réplicas iguales antes de entrar en el sensor;
- -
- un sensor de frente de ondas de muy elevado rango dinámico de medida, preferentemente del tipo Shack-Hartmann basado en 2 matrices de microlentes cilíndricas, que está adaptado junto con un software de reconstrucción asociado para reconstruir en 3-dimensiones el frente de ondas entrante y obtener otras representaciones y parámetros característicos (por ejemplo, mapas de potencia esférica, astigmatismo y eje); el sensor incluye un software de reconstrucción que mediante un algoritmo propio procesa las imágenes captadas por el bloque captador del sensor (en particular 2 fotodetectores tipo CCD o CMOS) hasta lograr la reconstrucción del frente aberrado, preferentemente mediante el ajuste a la base circular de polinomios de Zernike, o alternativamente a la base de polinomios de B-splines;
- -
- un sistema de inversión conectado al sensor, que comprende un software de inversión, que está adaptado para invertir el frente de ondas de interés, y está conectado al modulador de fase activo para enviarle el frente invertido y hacer así que el modulador lo genere; y
- -
- un sistema de control, que controla los parámetros de inversión del frente de ondas captado por el sensor o diseñado teóricamente, que son los coeficientes de Zernike a invertir y el dominio del frente en el que realizar la inversión. Los parámetros de inversión se pueden elegir por parte del usuario.
\vskip1.000000\baselineskip
La fuente de luz puntual, obtenida
preferentemente a partir de un diodo láser unido a una fibra óptica
mono-modo o alternativamente a partir de una fuente
luminosa extensa y un filtro espacial consistente en un objetivo de
microscopio y un pinhole, es colimada utilizando un colimador
óptico de tipo genérico. El frente de ondas plano resultante pasa
primero a través de un polarizador lineal y, seguidamente -si el
dispositivo de invención está en configuración transmisiva-
atraviesa el elemento óptico complejo y se dirige hacia -el aparato
modulador de fase mediante un primer divisor de haz
(beam-splitter) de película delgada. Si la
configuración de trabajo es reflexiva, el frente de ondas plano
linealmente polarizado pasa inicialmente sin desviarse por el primer
divisor de haz hasta reflejarse en el elemento óptico complejo e
incide de vuelta nuevamente en el divisor de haz que lo dirige hacia
el modulador de fase. Debe hacerse notar que la disposición
preferente de la invención es con el divisor de haz orientado en
anchura a 45º respecto al elemento complejo y al modulador de fase,
que estarán, por tanto, orientados en direcciones perpendiculares
entre si. Sin embargo, también es una disposición apropiada situar
el elemento complejo en ángulo (hasta 30º) respecto al modulador de
fase, sin la necesidad, por tanto, de emplear un divisor de haz. El
modulador de fase de cristal líquido compensa y refleja el frente de
ondas hacia un sensor, que se dispone en la misma dirección y en
posición enfrentada respecto al citado modulador de fase.
Con el fin de trasladar el frente hacia el
sensor, se coloca entre el modulador y el sensor un sistema óptico
genérico afocal (con un filtro antidifracción opcional), el cual se
diseñará para que además adecue el tamaño del frente al tamaño del
sensor para hacer posible la medida.
El sensor realiza, por tanto, la medición
reconstruyendo en 3-dimensiones el frente de ondas
entrante, y además, en el caso particular de una lente progresiva,
obteniendo otros resultados de salida como mapas espaciales de
potencia, astigmatismo, eje y coeficientes de Zernike en todo
el dominio o en sus diferentes subzonas, por medio de un
software propio. Asimismo, diferentes rutinas de control por
software permiten al usuario invertir parcial o totalmente el
frente de ondas asociado al elemento complejo o a sus subzonas
particulares de interés, o bien construir un frente de ondas teórico
invertido, para posteriormente enviarlo y poder ser generado en el
modulador de fase de cristal líquido. Consecuentemente, se
producirla el proceso de compensación requerido en aplicaciones
como, por ejemplo, las descritas en los apartados i) y ii)
anteriormente citados.
Un colimador óptico genérico es un sistema que a
partir de un haz de luz divergente obtiene un haz de luz paralelo.
Tiene la función de homogeneizar las trayectorias o rayos que
emitidos por un fuente luminosa salen en todas direcciones, de modo
que se obtenga un conjunto de rayos paralelos (o también llamado
frente de ondas plano). Esencialmente está formado por una serie de
lentes (solamente una en el diseño más sencillo) y algunos
diafragmas. Según es una realización preferida del objeto de la
presente invención, el colimador óptico utilizado estará formado por
una serie de diafragmas de diferentes diámetros, y una lente
acrómatica de gran diámetro (mayor de 60 mm.), en cuyo foco objeto
irá posicionada la fuente de luz puntual, obtenida preferentemente a
partir de un diodo láser unido a una fibra óptica
mono-modo.
Un divisor de haz
(beam-splitter) de película delgada genérico
es un elemento óptico de grosor de unidades de miera que divide un
haz de luz en dos: uno transmitido y otro reflejado, sin modificar
sus características (en particular la fase), a excepción de sus
energías.
Un polarizador lineal genérico es un elemento
óptico que actúa linealizando el estado de polarización de un frente
luminoso, sin modificar substancialmente sus demás propiedades (en
particular la fase).
El elemento óptico complejo utilizado podrá ser,
por ejemplo, una lente de forma arbitraria, una lente multifocal y
progresiva, una lente de contacto multifocal y progresiva, o bien un
molde para producir alguna de las anteriores lentes.
El elemento óptico activo será preferentemente
un modulador de fase activo de cristal líquido actuando por
reflexión, aunque también podrá ser un espejo deformable
micromecanizado.
Un modulador de fase activo de cristal líquido
es un dispositivo óptico dinámico capaz de modificar exclusivamente
la fase del frente de ondas luminoso; es decir, hacer una
modificación de fase no estática y, por lo tanto, diferente según
cada caso particular de interés. Trabajando en reflexión, el
modulador realiza la modificación de la fase del frente que le
incide por medio de un cristal líquido de moléculas paralelas, que
son controladas por un LCD de alta resolución espacial en el que se
entra la fase modificadora requerida en representación de mapa
plegado de niveles de
gris.
gris.
Un sistema óptico reductor genérico es aquel que
sirve para trasladar un objeto a su plano imagen, reescalándolo
además un factor reductor determinado. Según es una realización
preferida del objeto de la presente invención, el sistema reductor
utilizado comprende dos dobletes acromáticos en una disposición
4f, de manera que traslade el frente de ondas que sale del
modulador hacia el sensor, al que además llegará reescalado según la
relación dada por las focales de los dobletes seleccionados
f2/f1.
Un filtro óptico antidifracción de densidad
neutra con el centro transparente y haciéndose gradualmente oscuro
hacia el borde, es un elemento óptico en el que la densidad óptica
crece desde el centro hasta el borde, de modo que actúa
transmitiendo la luz en eje. Se colocará en la posición 2f
del sistema reductor 4f, en aquellos casos en que la
compensación de fase que realiza el modulador de cristal líquido sea
de gran magnitud, con el fin de filtrar la luz parásita,
correspondiente al orden 0 de difracción, que sale del
modulador.
Según es una realización preferida del objeto de
la presente invención, el sensor de frente de ondas utilizado será
del tipo Shack-Hartmann, basado en matrices
de microlentes cilíndricas. Concretamente, el sensor estará formado
por dos matrices idénticas de microcilindros orientadas a lo largo
de las direcciones vertical y horizontal, que focalizan el frente de
ondas entrante (que previamente era dividido en dos réplicas por
medio del segundo beam-splitter 50/50) en la
forma de un patrón de lineas verticales y horizontales,
respectivamente, y que son simultáneamente registrados por dos
fotodetectores idénticos (CCD's o CMOS). Estas imágenes de los
patrones serán procesadas mediante un algoritmo propio de
localización de lineas que permite extraer las pendientes
longitudinales y transversales, al medir su desviación respecto a
las lineas correspondientes a un frente de referencia,
preferentemente plano. Asimismo, a partir de dichas pendientes, se
puede reconstruir el frente tridimensional mediante ajuste a la base
circular de polinomios de Zernike, o alternativamente a la
base de polinomios de B-splines. De este
resultado, diversas rutinas de control tanto de inversión parcial o
total de las aberraciones, como de inversión en todo o parte del
dominio, permitirán entrar en el modulador de fase la compensación
requerida, en una configuración de óptica activa (también denominada
óptica adaptativa en bucle abierto).
\vskip1.000000\baselineskip
El procedimiento de medida y compensación activa
de frentes de ondas complejos objeto de la invención comprende
principalmente las siguientes etapas:
- a0)
- Inicialmente, tras haberse realizado el montaje del sistema (y en una única vez), se lleva a cabo un proceso de calibración del sistema anteriormente descrito para conocer el ratio real entre la focal de las microlentes y del tamaño de pixel de las CCD's del sensor, con el fin de asegurar una óptima exactitud de medición. Para ello se retira la lente colimadora y sin colocar el elemento óptico complejo y teniendo el modulador de fase en modo apagado (o en modo encendido creando un frente plano), se mide el frente esférico "perfecto" creado por la fuente puntual según el mismo proceso que se detalla en los siguientes pasos "a1", "a2" y "a3" (como referencia se toma el frente plano con la lente colimadora insertada). Comparando -en el paso "a3.5"- la curvatura medida con la teórica conocida, se consigue inferir el ratio real entre el tamaño de pixel de las CCD's y la focal de las microlentes.
\newpage
- a1)
- Sin colocar el elemento óptico complejo y con el modulador de fase de cristal líquido en modo apagado (o encendido creando un frente plano), se capta con el sensor un frente de referencia, preferentemente plano: una imagen de lineas rectas horizontales y otra imagen de lineas rectas verticales.
- \quad
- Alternativamente, y en especial cuando el elemento a medir es una lente altamente convergente, el frente de referencia más apropiado será esférico divergente (por ejemplo, el creado por la fuente puntual cuando se quita la lente colimadora).
- a2)
- Seguidamente, se coloca el elemento óptico complejo en su posición (etapa "a2.1") y teniendo el modulador de fase de cristal líquido en modo apagado (o encendido creando un frente plano), se capta el frente de ondas aberrado (etapa "a2.2") que transmite -en el caso de que el sistema esté en configuración transmisiva- o refleja - en el caso de que el sistema esté en configuración reflexiva-: dos imágenes de líneas horizontales y verticales distorsionadas.
- a3)
- Mediante un algoritmo propio se procesan las imágenes captadas por el sensor en las anteriores etapas "a1" y "a2", de manera que se reconstruye el frente de ondas aberrado según los siguientes pasos:
- a3.1)
- segmentación de las líneas, basada preferentemente en la aplicación del operador de detección de bordes de Canny y, posteriormente, operadores morfológicos de cierre;
- a3.2)
- etiquetado de las líneas, que estarán formadas por píxeles 8-conectados con intensidad (también llamado nivel de gris) no nula;
- a3.3)
- intersección de líneas horizontales y verticales;
- a3.4)
- cálculo de los centroides en direcciones ortogonales X e Y en las zonas de intersección;
- a3.5)
- cálculo de las pendientes locales del frente aberrado en direcciones ortogonales;
- a3.6)
- reconstrucción del frente aberrado mediante el ajuste de las pendientes preferentemente a la base circular de polinomios de Zernike o, alternativamente, a la base de polinomios de B-splines; y
- a3.7)
- en el caso particular de lentes oftálmicas progresivas, extracción de parámetros característicos de las mismas como, por ejemplo, los mapas espaciales de potencia esférica, astigmatismo y eje, y la magnitud de las aberraciones es sus diferentes zonas de interés (zonas del corredor, zonas nasales y zonas temporales).
- b1)
- El software de control lee los parámetros de control seleccionados por el usuario (X_{1}, X_{2}, ... X_{n}) y gestiona la inversión.
- \quad
- Los parámetros de control a elegir por el usuario (X_{1}, X_{2}, ... X_{n}) son, por un lado, las aberraciones particulares que se desean compensar (compensación total o parcial según se inviertan todos o solo algunos coeficientes de Zernike, respectivamente), y, por otro lado, la posición y tamaño del dominio completo del frente o de las subzonas del dominio que se quieren compensar (compensación espacial: en todo el dominio, o solo en determinadas subzonas).
- b2)
- Según la selección efectuada en la etapa "b1", el software de inversión realiza la inversión total o parcial y en todo el dominio o solo en determinadas subzonas, del frente de ondas medido o teórico de interés.
- b3)
- El frente invertido por parte del software de inversión (o eventualmente el valor de los parámetros que lo conforman) será la entrada introducida en el modulador de fase activo que generará, por consiguiente, esa compensación.
\vskip1.000000\baselineskip
Debido a que el dispositivo está concebido para
trabajar con elementos ópticos complejos estáticos y que la
respuesta del modulador de fase de cristal líquido es muy lineal, la
configuración del procedimiento de medida (etapa "a") y
compensación adaptativa (etapa "b") es en bucle abierto, es
decir que se efectúa en una sola iteración.
Se han realizado numerosos ensayos que verifican
la capacidad de medida y compensación del frente de ondas
transmitido o reflejado por elementos ópticos complejos mediante el
dispositivo y el procedimiento descritos.
Las características y las ventajas del
dispositivo y procedimiento de medida, reconstrucción y compensación
activa del frente de ondas asociado a elementos ópticos complejos,
objeto de la presente invención, resultarán más claras a partir de
la descripción detallada de una realización preferida del mismo que
se dará, de aquí en adelante, a modo de ejemplo no limitativo, con
referencia a los dibujos que se acompañan, en los cuales:
La figura nº 1 muestra una vista esquemática del
dispositivo objeto de la invención en configuración transmisiva.
La figura nº 2 muestra el diagrama de flujo del
procedimiento de medida y compensación activa del dispositivo objeto
de la invención.
La figura nº 3 muestra los resultados
experimentales de medida y compensación del frente de ondas
transmitido por una lente comercial de adición progresiva con
potencia nula de lejos y 2 D de cerca.
La figura nº 4 muestra los resultados de un
experimento realizado para caracterizar la respuesta del modulador
de fase de cristal líquido en el dispositivo preconizado. En
concreto, se escriben en el modulador -en representación de mapa de
fase plegado sobre una área activa de cristal líquido de 20 mm. x 20
mm.- los frentes de ondas correspondientes a lentes esféricas de
diferentes curvaturas (0.25 D, 0.5 D, 1 D y 1.5 D), y se miden con
el sensor para evaluar la calidad de la respuesta del modulador.
Sigue a continuación una relación detallada de
los principales elementos que configuran el dispositivo objeto de la
invención y que se encuentran en los dibujos: (10) dispositivo de
compensación, (11) fuente de luz puntual, (12) colimador óptico,
(13) polarizador lineal, (14) lente compleja montada sobre un
soporte (15), (15) soporte mecánico con posibilidad de movimiento
lineal y rotacional micrométrico entorno a los tres ejes cartesianos
del espacio, (16) prisma compensador, (17) primer divisor de haz,
(18) modulador de fase activo de cristal líquido, (19) sistema
óptico reductor formado por dos dobletes acromáticos, (20) filtro
antidifracción, (21) sensor de frente de ondas, (22) segundo divisor
de haz, (23a-23b) matrices idénticas de
microcilindros, (24a-24b) CCD's idénticos, (25)
bloque captador del sensor (21), (26) bloque de reconstrucción del
sensor (21), (27) bloque de inversión, y (28) bloque de control de
la compensación.
En particular referencia a la figura nº 1, en la
misma se pueden apreciar los distintos elementos que integran el
dispositivo óptico de medida, reconstrucción y compensación objeto
de la presente invención (10). La fuente de luz puntual (11),
obtenida en este caso a partir de un diodo láser unido a una fibra
óptica mono-modo, es colimada utilizando un
colimador óptico (12). El frente de ondas plano resultante pasa
primero a través de un polarizador lineal (13) y seguidamente
atraviesa la lente compleja (14), que está colocada en un soporte
mecánico con capacidad de posicionamiento micrométrico (15). Cuando
fuese necesario, se puede posicionar un prisma (16) a continuación
de la lente compleja (14), el cual compensa el efecto prismático. A
continuación el frente de ondas se dirige hacia el modulador de fase
de cristal líquido (18) mediante un primer divisor de haz (17) de
película delgada, dispuesto en una inclinación de 45º. El modulador
de fase de cristal líquido (18), dispuesto en dirección
perpendicular a la dirección del frente de ondas transmitido por la
lente compleja (14), actúa compensándolo y, posteriormente,
reflejándolo hacia un sensor (21), que se dispone en la misma
dirección y en posición enfrentada y ópticamente conjugada respecto
al citado modulador de fase (18). Entre el modulador de fase (18) y
el sensor (21) se dispone un sistema óptico reductor (19) con un
filtro antidifracción removible (20), y un segundo divisor de haz
(22) que duplica el frente de ondas.
En particular referencia al sensor (21), el
mismo comprende dos partes diferenciadas: el bloque captador (25) y
el bloque de reconstrucción (26). El bloque captador (25) está
formado por dos matrices idénticas de microcilindros
(23a-23b) orientadas a lo largo de las direcciones
vertical y horizontal, junto con dos CCD's (24a-24b)
idénticos. El bloque de reconstrucción (26) está formado por un
software de reconstrucción que, a partir de las imágenes de los
patrones de lineas de referencia y aberrados detectados por el
citado bloque captador (25), se encarga de reconstruir
tridimensionalmente el frente de ondas aberrado.
El sensor (21) está, asimismo, conectado a un
bloque de inversión (27) que está formado por un software de
inversión que puede: a.)invertir parcial o totalmente el frente de
ondas, b.) realizar dicha inversión en todo el dominio o solamente
en determinadas subzonas del frente de ondas, y c.) realizar la
citada inversión en el frente de ondas medido de la lente compleja o
en base a un frente de ondas teórico de interés. Dicho
software tendrá unas entradas (Z_{1}, Z_{2}, ... Z_{n})
provinentes del sensor (21), y unas entradas de control (Y_{1},
Y_{2}, ... Y_{n}) gestionadas por el bloque de control de la
compensación (28). Dichas entradas de control (Y_{1}, Y_{2}, ...
Y_{n}) representan las selecciones realizadas por el usuario
(X_{1}, X_{2}, ... X_{n}), siendo dichas entradas (X_{1},
X_{2}, ... X_{n}) en el caso (a.) los coeficientes de
Zernike, en el caso (b.) la posición y tamaño de la/s zona/s
de interés, y en el caso (c.) la opción experimental o teórica. El
citado bloque de control de la compensación (28), que está
constituido por un software que controla el dispositivo, será
el encargado de introducir en el modulador de fase de cristal
líquido (18) la señal (U_{1}, U_{2}, ... U_{n}) que representa
al frente de ondas invertido, para que el citado modulador de fase
(18) realice la correspondiente compensación.
En particular referencia a la figura nº 2, en la
misma se muestra mediante un diagrama de flujo el proceso de medida
y compensación de un frente de ondas complejo de acuerdo con la
invención. En primer lugar, el usuario selecciona (etapa "c")
si se realiza la compensación con un frente teórico (etapa "d")
o en base al medido experimentalmente (etapa "a").
En el caso de escoger la etapa "a", el
bloque captador (25) del dispositivo (10) detectará las imágenes de
lineas horizontales y verticales de referencia (etapa "a1"), y,
posteriormente, al posicionar la lente compleja (14) (etapa
"a2.1"), detectará las imágenes de lineas horizontales y
verticales aberradas (etapa "a2.2"). Seguidamente, el bloque de
reconstrucción (26) es el encargado de reconstruir
tridimensionalmente el frente de ondas detectado y extraer algunos
parámetros de relevancia asociados, como, por ejemplo, los
coeficientes de Zernike (o eventualmente los puntos de
control del B-spline), y el tamaño del
dominio escaneado (etapa "a3"). A partir de este resultado ó de
los valores conocidos de un frente teórico, el usuario seleccionará
los coeficientes y la posición y tamaño de las subáreas a usar
(etapa "b1") para la inversión del frente, que realiza el
bloque de inversión (27) (etapa "b2"). Finalmente, el frente
invertido en representación de mapa de fase plegado se introduce en
el modulador de fase de cristal líquido (18) para que el mismo lo
genere y compense, por tanto, el frente de ondas complejo inicial
(etapa "b3").
En particular referencia al ensayo realizado con
una lente comercial de adición progresiva (LAP) con longitud del
corredor de 16 mm., potencia nula de lejos y 2 D de cerca, se
muestran las imágenes de la intersección de lineas captadas por el
sensor cilíndrico y la reconstrucción del frente transmitido, en las
figuras nº 3a y 3b, respectivamente. La área escaneada de golpe es
una área circular central de 20 mm. de diámetro, que, por tanto,
contiene al corredor y parte de las zonas nasal y temporal de la
lente. Las figuras nº 3c, 3d y 3e muestran los resultados de los
mapas espaciales de potencia, isocilindro y eje medidos. Una vez se
mide la lente por transmisión, a modo de ejemplo particular, se
seleccionan todos los coeficientes de Zernike hallados -con
excepción de los referentes a inclinaciones- para calcular el frente
inverso en representación de mapa de fase plegado, tal y como
muestra la figura nº 3f. Dicha señal se introduce en el modulador de
fase activo (18), de tal modo que se compensa totalmente el frente
de ondas inicialmente transmitido por la lente (14). La figura nº 3g
muestra el patrón de lineas del frente de ondas resultante medido
por el sensor (21) . En dicha imagen, se observa luz de varios
órdenes de difracción superpuestos, principalmente el orden 0 y el
orden 1. Debido a la naturaleza difractiva del modulador de fase
(18), al estar generando un frente de ondas compensador tan
aberrado, la eficiencia de difracción se reduce mucho; es decir, el
orden 0 (que es la luz a la que no le afecta la modulación de fase
(18)) es mucho más intenso que el orden 1 (que es el la luz modulada
en fase o también llamado frente de ondas compensado). Una imagen de
estas características es muy difícil de procesar automáticamente,
por lo que un filtrado del indeseado orden 0 es necesario.
Posicionando un filtro transmisor de la luz solo en eje (filtro
antidifracción (20)), en la focal del primer doblete del sistema
óptico reductor del dispositivo de compensación (10), se obtiene el
patrón de lineas mostrado en el figura nº 3h, cuya reconstrucción
tridimensional se muestra en la figura nº 3i.
En particular referencia a la figura nº 4, los
ensayos llevados a cabo con el dispositivo de compensación (10) de
la invención demuestran la buena calidad de la respuesta del
modulador de fase programable de cristal líquido para el ámbito de
las lentes oftálmicas. El experimento consiste en escribir en el
modulador de fase (18) -en representación de mapa de fase plegado
sobre una área activa de cristal líquido de 20 mm. x 20 mm.- frentes
de ondas esféricos de un amplio rango de curvaturas (0.25 D, 0.5 D,
1 D y 1.5 D), y medir con el sensor (21) los respectivos frentes de
ondas salientes al incidirle un frente de ondas plano. Las
diferencias entre los frentes reales creados por el modulador de
fase (18) y los ideales escritos, cuantifican la calidad de la
respuesta del modulador de fase (18), y, por tanto, permiten valorar
su adecuación a la compensación en bucle abierto. En todos los
casos, se han observado muy buenas correlaciones entre los frentes
de ondas deseados y los reales (con un error máximo de 0.014 D, y
errores relativos rms por debajo del 0.15%), véase tabla nº
1, quedando demostrada la bondad del modulador de fase programable
para la compensación activa en bucle abierto en el ámbito de las
lentes oftálmicas.
Descrita suficientemente la presente invención
en combinación con las figuras anexas, fácil es comprender que podrá
introducirse en la misma cualesquiera modificaciones de detalle que
se estimen convenientes, siempre y cuando no se altere la esencia de
la misma que queda constreñida en las siguientes
reivindicaciones.
Claims (22)
1. Dispositivo óptico para la reconstrucción y
la compensación del frente de ondas proveniente de un elemento
óptico complejo, caracterizado en que comprende:
- -
- una fuente de luz puntual (11);
- -
- un colimador óptico (12), adaptado para homogeneizar las trayectorias o rayos que emitidos por la fuente luminosa (11) salen en todas direcciones, de modo que se obtenga un conjunto de rayos paralelos;
- -
- un polarizador lineal (13);
- -
- un elemento óptico complejo (14) colocado en posición frontal respecto a la dirección del frente de ondas entrante y, en el caso particular de ser una lente oftálmica progresiva además ligeramente inclinada para reproducir el ángulo pantoscópico natural de posicionamiento de la lente (14) para el usuario, estando ubicado dicho elemento óptico complejo (14) en un soporte mecánico (15) que está dotado de unos medios de posicionamiento adaptados para permitir el movimiento lineal y rotacional micrométrico en los tres ejes del coordenados del espacio;
- -
- un primer divisor de haz de película delgada (17) dispuesto entre el elemento óptico complejo (14) y un modulador de fase activo (18), estando situado inclinado en un ángulo de 45º respecto a la dirección del frente de ondas entrante de modo que lo direccione hacia el modulador de fase activo (18);
- -
- un modulador de fase activo (18) dispuesto en dirección perpendicular al frente de ondas inicial o ligeramente inclinado con un ángulo comprendido entre 0º y 2º en anchura respecto a la perpendicularidad, y que está adaptado para compensar total ó parcialmente el frente de ondas que le incide;
- -
- un sistema óptico afocal reductor (19), que está adaptado para conjugar ópticamente el modulador de fase activo (18) con un sensor de frentes de ondas (21), de modo que traslada y reduce en tamaño el frente de ondas resultado de la compensación, para ser medido por el sensor (21);
- -
- un filtro óptico antidifracción (20) de densidad neutra con el centro transparente y haciéndose gradualmente oscuro hacia el borde, posicionado dentro del sistema óptico afocal reductor (19) cuando la modulación de fase sea de gran magnitud, que está adaptado para filtrar la luz no modulada en fase correspondiente al orden 0 de difracción que sale del modulador de fase activo de cristal líquido (18);
- -
- un segundo divisor de haz 50/50 de película delgada (22), que está adaptado para dividir el frente de ondas proveniente del modulador de fase activo (18) en dos réplicas iguales antes de entrar en el sensor (21);
- -
- un sensor de frente de ondas (21) de muy elevado rango dinámico de medida, que está adaptado, junto con un sistema de reconstrucción asociado (26), para reconstruir en 3-dimensiones el frente de ondas entrante y obtener otras representaciones y parámetros característicos, tales como mapas de potencia esférica, astigmatismo y eje;
- -
- un sistema de invesión (27) conectado al sensor (21), que comprende un software de inversión, que está adaptado para invertir parcial o totalmente el frente de ondas que ha sido medido por el sensor (21), y está conectado al modulador de fase activo (18) para enviarle el frente invertido y hacer así que el modulador (18) lo genere;
- -
- un sistema de control (28), que controla los parámetros de inversión del frente de ondas captado por el sensor o diseñado teóricamente, que son los coeficientes de Zernike a invertir y el dominio del frente en el que realizar la inversión.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Dispositivo óptico para la reconstrucción y
la compensación del frente de ondas proveniente de un elemento
óptico complejo según la 1ª reivindicación, caracterizado en
que opcionalmente se dispone un prisma compensador (16) dispuesto
entre el elemento óptico complejo (14) y el primer divisor de haz de
película delgada (17), estando el prisma compensador (16) adaptado
para compensar los efectos prismáticos elevados existentes en el
elemento óptico complejo (14) .
3. Dispositivo óptico para la reconstrucción y
la compensación del frente de ondas proveniente de un elemento
óptico complejo según la 1ª reivindicación, caracterizado en
que la fuente de luz puntual (11) se obtiene a partir de un diodo
láser unido a una fibra óptica mono-modo.
4. Dispositivo óptico para la reconstrucción y
la compensación del frente de ondas proveniente de un elemento
óptico complejo según la 1ª reivindicación, caracterizado en
que la fuente de luz puntual (11) se obtiene a partir de una fuente
luminosa extensa y un filtro espacial consistente en un objetivo de
microscopio y un pinhole.
5. Dispositivo óptico para la reconstrucción y
la compensación del frente de ondas proveniente de un elemento
óptico complejo según la 1ª reivindicación, caracterizado en
que el colimador óptico (12) está formado por una serie de
diafragmas de diferentes diámetros, y una lente acrómatica de gran
diámetro, en cuyo foco objeto irá posicionada la fuente de luz
puntual (11).
6. Dispositivo óptico para la reconstrucción y
la compensación del frente de ondas proveniente de un elemento
óptico complejo según la 1ª reivindicación, caracterizado en
que el elemento óptico complejo es una lente de forma arbitraria,
una lente multifocal y progresiva, una lente de contacto multifocal
y progresiva, o un molde para producir alguna de esas lentes.
7. Dispositivo óptico para la reconstrucción y
la compensación del frente de ondas proveniente de un elemento
óptico complejo según la 1ª reivindicación, caracterizado en
que el modulador de fase activo (18) es un modulador de fase de
cristal líquido actuando por reflexión.
8. Dispositivo óptico para la reconstrucción y
la compensación del frente de ondas proveniente de un elemento
óptico complejo según la 1ª reivindicación, caracterizado en
que el modulador de fase activo (18) es un espejo deformable
micromecanizado.
9. Dispositivo óptico para la reconstrucción y
la compensación del frente de ondas proveniente de un elemento
óptico complejo según la 1ª reivindicación, caracterizado en
que el sistema óptico afocal reductor (19) comprende dos dobletes
acromáticos en una disposición 4f, cuyo factor de reescalado
está dado por el ratio de las focales de los dobletes seleccionados
f2/f1.
10. Dispositivo óptico para la reconstrucción y
la compensación del frente de ondas proveniente de un elemento
óptico complejo según la 1ª reivindicación, caracterizado en
que el sensor (21) es de tipo Shack-Hartmann
basado en matrices de microlentes cilíndricas.
11. Dispositivo óptico para la reconstrucción y
la compensación del frente de ondas proveniente de un elemento
óptico complejo según la 10ª reivindicación, caracterizado en
que el sensor (21) está formado por dos matrices idénticas de
microcilindros (23a-23b) orientadas a lo largo de
las direcciones vertical y horizontal, que focalizan el frente de
ondas entrante en la forma de un patrón de lineas verticales y
horizontales, respectivamente, y que son simultáneamente registrados
por dos fotodetectores idénticos (24a-24b).
12. Dispositivo óptico para la reconstrucción y
la compensación del frente de ondas proveniente de un elemento
óptico complejo según la 11ª reivindicación, caracterizado en
que los fotodetectores idénticos (24a-24b) son
CCD's.
13. Dispositivo óptico para la reconstrucción y
la compensación del frente de ondas proveniente de un elemento
óptico complejo según la 11ª reivindicación, caracterizado en
que los fotodetectores idénticos (24a-24b) son
CMOS.
14. Dispositivo óptico para la reconstrucción y
la compensación del frente de ondas proveniente de un elemento
óptico complejo según la 10ª reivindicación, caracterizado en
que el sensor (21) tiene asociado un software de reconstrucción que
está adaptado para procesar las imágenes de líneas para calcular las
pendientes del frente en direcciones ortogonales X e Y, a partir de
las cuales se reconstruye tridimensionalmente el frente mediante
ajuste.
15. Dispositivo óptico para la reconstrucción y
la compensación del frente de ondas proveniente de un elemento
óptico complejo según la 14ª reivindicación, caracterizado en
que el ajuste de las pendientes se realiza a la base de polinomios
circulares de Zernike, obteniéndose además información del
valor de las diferentes aberraciones (coeficientes de
Zernike).
16. Dispositivo óptico para la reconstrucción y
la compensación del frente de ondas proveniente de un elemento
óptico complejo según la 14ª reivindicación, caracterizado en
que el ajuste de las pendientes se realiza a la base de polinomios
de B-splines, obteniéndose además información
de los puntos de control.
17. Dispositivo óptico para la reconstrucción y
la compensación del frente de ondas proveniente de un elemento
óptico complejo según la 1ª reivindicación, caracterizado en
que tanto los parámetros de inversión como los parámetros asociados
al dominio de interés son variables a elegir por parte del usuario,
y que son gestionados por el sistema de control (28).
18. Procedimiento para la reconstrucción y la
compensación del frente de ondas proveniente de un elemento óptico
complejo, caracterizado en que comprende las siguientes
fases:
a) Etapa de medida y reconstrucción del frente de
ondas
- a0)
- Inicialmente (y en una única vez) se realiza un proceso de calibración del dispositivo óptico de compensación (10) de la 1ª reivindicación para conocer el ratio real entre la focal de las microlentes y el tamaño de pixel de las CCD's del sensor (21). Retirándose la lente colimadora (12) y sin colocar el elemento óptico complejo (14) y teniendo el modulador de fase activo (18) en modo apagado (o en modo encendido creando un frente plano), se mide el frente esférico "perfecto" creado por la fuente de luz puntual (11), según el mismo proceso descrito en los siguientes pasos "a1", "a2" y "a3" (como referencia se toma el frente plano con la lente colimadora insertada), y finalmente comparando la curvatura medida con la curvatura teórica conocida, se infiere el ratio real entre el tamaño de pixel de las CCD's y la focal de las microlentes.
- a1)
- Sin colocar el elemento óptico complejo (14) y con el modulador de fase activo (18) en modo apagado (o encendido creando un frente plano), se capta con el sensor (21) un frente de referencia plano: una imagen de lineas rectas horizontales y otra imagen de lineas rectas verticales.
- a2)
- Seguidamente, se coloca el elemento óptico complejo (14) en su posición y teniendo el modulador de fase activo (18) en modo apagado (o encendido creando un frente plano), se capta el frente de ondas aberrado que transmite: dos imágenes de lineas horizontales y verticales distorsionadas.
- a3)
- Mediante un algoritmo propio se procesan las imágenes captadas por el sensor (21) en las anteriores etapas "al" y "a2", para reconstruir el frente de ondas aberrado.
b) Etapa de compensación del frente de ondas
- \quad
- Según los parámetros de control seleccionados por el usuario (X_{1}, X_{2}, ... X_{n}), el software de control gestiona que la inversión del frente de ondas medido sea parcial o total, que la inversión se realice en todo el dominio del frente o solamente en determinadas subzonas de interés, o que se cree un frente de ondas teórico invertido conforme a los parámetros ideales de diseño. El frente invertido por parte de un software de inversión (o eventualmente el valor de los parámetros que lo conforman), será la entrada introducida en el modulador de fase activo (18) que generará, por consiguiente, esa compensación.
\vskip1.000000\baselineskip
19. Procedimiento para la reconstrucción y la
compensación del frente de ondas proveniente de un elemento óptico
complejo según la 18ª reivindicación, caracterizado en que
como configuración complementaria a la transmisiva citada en el
apartado "a2", se puede medir el elemento óptico complejo (14)
en reflexión, sin más que posicionar el subsistema formado por el
colimador óptico (12) y el polarizador lineal (13) en posición
enfrentada respecto a la de la configuración transmisiva mostrada en
la figura nº 1.
20. Procedimiento para la reconstrucción y la
compensación del frente de ondas proveniente de un elemento óptico
complejo según la 18a reivindicación, caracterizado en que la
etapa "a3" comprende las siguientes sub-etapas
consecutivas:
- a3.1)
- segmentación de las lineas, basada preferentemente en la aplicación del operador de detección de bordes de Canny y, posteriormente, operadores morfológicos de cierre;
- a3.2)
- etiquetado de las lineas, que estarán formadas por píxeles 8-conectados con intensidad no nula;
- a3.3)
- intersección de lineas horizontales y verticales;
- a3.4)
- cálculo de los centroides en direcciones ortogonales X e Y en las zonas de intersección;
- a3.5)
- cálculo de las pendientes locales del frente aberrado en direcciones ortogonales;
- a3.6)
- reconstrucción del frente aberrado mediante el ajuste de las pendientes a la base circular de polinomios de Zernike, o a la base de polinomios de B-splines; y
- a3.7)
- en el caso particular de lentes oftálmicas progresivas (14), extracción de parámetros característicos de las mismas.
\vskip1.000000\baselineskip
21. Procedimiento para la reconstrucción y la
compensación del frente de ondas proveniente de un elemento óptico
complejo según la anterior reivindicación, caracterizado en
que parámetros característicos de las lentes oftálmicas progresivas
(14) son los mapas espaciales de potencia esférica, astigmatismo y
eje, y la magnitud de las aberraciones es sus diferentes zonas de
interés (zonas del corredor, zonas nasales y zonas temporales).
22. Procedimiento para la reconstrucción y la
compensación del frente de ondas proveniente de un elemento óptico
complejo según la 18ª reivindicación, caracterizado en que la
configuración del procedimiento de medida (etapa "a") y
compensación adaptativa (etapa "b") es en bucle abierto, es
decir que se efectúa en una sola iteración.
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| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20100330 Kind code of ref document: A1 |
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Ref document number: 2335637 Country of ref document: ES Kind code of ref document: B1 Effective date: 20110527 |