DISPOSITIVO OPTICO Y PROCEDIMIENTO PARA LA RECONSTRUCCION Y LA COMPENSACION DEL FRENTE DE ONDAS PROVENIENTE DE UN ELEMENTO OPTICO COMPLEJO.

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

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.

Ámbito de la invención

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.

Estado de la técnica

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.

Objeto de la invención

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 liquido, 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 -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 -test. El principio del -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 (-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...

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 liquido (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.

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 liquido 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

                Según los parámetros de control seleccionados por el usuario (X₁, X₂,... 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.

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.

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.