Procedimiento para la medida de aberraciones ópticas con rango y sensibilidad variables mediante dos elementos ópticos reconfigurables y dispositivo para su realización.

El frente de onda a analizar (A) incide sobre un subsistema de muestreo (1), que incluye un elemento óptico reconfigurable (11) que proporciona un patrón de irradiancia (P) de posición y geometría controlables, adecuado para medir la aberración. Un subsistema (2), que contiene otro elemento óptico reconfigurable (21), forma una imagen (I) del patrón (P) sobre un plano fijo (3). Sobre dicho plano se ubica un detector (4), conectado a un subsistema de análisis (5), que calcula la aberración (F) del frente (A). Un subsistema (6) controla las propiedades de los elementos reconfigurables (11) y (21). No es así necesario efectuar desplazamientos mecánicos del detector para situarlo en la posición variable donde se forma el patrón (P).

Procedimiento para la medida de aberraciones ópticas con rango y sensibilidad variables mediante dos elementos ópticos reconfigurables y dispositivo para su realización.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere, tal y como su enunciado indica, a un procedimiento para la medida de aberraciones con elementos ópticos reconfigurables y a un dispositivo para su realización, pudiendo utilizar como elementos ópticos reconfigurables un modulador espacial de luz de cristal líquido y una lente líquida de potencia óptica controlable electrónicamente, o cualesquiera otros componentes ópticos capaces de realizar las mismas funciones.

La invención se dirige principalmente a los sectores de instrumentación óptica, optoelectrónica, optométrica y oftálmica, siendo de utilidad para aquellas aplicaciones en las que se requiera medir y compensar las aberraciones ópticas de los haces de luz, o de otra radiación electromagnética como puede ser el infrarrojo cercano, producidas por defectos de los instrumentos o por la propagación de la radiación a través de diferentes tipos de medios materiales, como son por ejemplo una atmósfera turbulenta o los medios que forman el ojo humano.

Antecedentes de la invención

La medida de aberraciones ópticas, es decir, de los defectos introducidos en los frentes de onda por las imperfecciones de los sistemas ópticos, o por el paso de la radiación electromagnética por medios no homogéneos, es una tarea clave para multitud de aplicaciones en diversos campos de la ciencia y la tecnología. En particular, los dispositivos para la medida de aberraciones ópticas, que fueron desarrollados en primer lugar para aplicaciones astronómicas, se han convertido en elementos de uso frecuente en optometría y oftalmología (J. Z. Liang, B. Grimm, S. Goelz y J. F. Bille, "Objective measurement of wave aberrations of the human eye with the use of a Hartmann-Shack wave-front sensor", J. Opt. Soc. Am. A 11, 1949-1957 (1994)), especialmente para el diseño de sistemas de óptica adaptativa, siendo la finalidad de éstos la medida y compensación en tiempo real de las distorsiones de un frente de onda por medio de elementos reconfigurables (H. Babcock, "The Possibility of Compensating Astronomical Seeing", Publications of the Astronomical Society of the Pacific, 65, No. 386, 229-236 (1953)), (V. P. Linnik, "On the possibility of reducing the influence of atmospheric seeing on the image quality of stars", Optika i Spektroskopiya, vol. 3, pp. 401, 1957), (J. Z. Liang, D. R. Williams y D. T. Miller, "Supernormal visión and high resolution retinal imaging through adaptive optics", J. Opt. Soc. Am. A 14, 2884-2892 (1997)).

En las últimas décadas se han desarrollado dispositivos que permiten medir las aberraciones ópticas con mayor velocidad y fiabilidad, destacando, entre otros, los de trazado de rayos con láser (R. Navarro y E. Moreno-Barriuso, "Laser ray-tracing method for optical testing" Opt. Lett. 24, 951-953 (1999)), los sensores de frente de onda basados en el sistema clásico de Hartmann (J. Hartmann, "Objektivuntersuchungen", Zeitschrift für Instrumentenkunde XXIV 1-21 (enero), 3 y 34-47 (febrero), 7 y 98-117 (abril) (1904)) y los dispositivos tipo Hartmann-Shack (B. C. Platt y Roland Shack, "History and Principles of Shack-Hartmann Wavefront Sensing", Journal of Refractive Surgery, vol 17, S573 S577 (September/October 2001)). En estos dos últimos sensores, el frente de onda se muestrea mediante una pantalla con subpupilas, que son orificios (en los sensores Hartmann) o microlentes esféricas (en los sensores Hartmann-Shack). La información sobre las aberraciones del frente de onda se obtiene procesando las distribuciones de irradiancia del haz que, tras propagarse una distancia en el espacio desde cada subpupila, se miden con un detector de radiación, habitualmente una cámara CCD.

Los sensores de Hartmann-Shack convencionales incluyen una red de microlentes de focal preestablecida. En los últimos años, se han desarrollado sensores Hartmann-Shack con una distancia focal variable, substituyendo las microlentes estáticas por microlentes líquidas (Y. Hongbin, Z. Guangya, C. F. Siong, L. Feiwen y W. Shouhua, "A tunable Shack-Hartmann wavefront sensor based on a liquid-filled microlens array", Journal of Micromechanics and Microengineering 18, 105017 (2008)), o por microlentes de Fresnel codificadas en un modulador espacial de luz de cristal líquido (L. Seifert, J. Liesener y H. J. Tiziani, "The adaptive Shack-Hartmann sensor", Opt. Commun. 216, 313-319 (2003)). En este último caso, el sensor es capaz, además, de cambiar la geometría de la red de microlentes, así como el tamaño y número de éstas, propiedad útil para optimizar las medidas dependiendo de las características del frente de onda incidente. Estos sensores de tipo Hartmann-Shack con parámetros variables permiten, por tanto, implementar sistemas de medida "adaptativos", cuyo rango dinámico y/o sensibilidad se pueden adecuar a la magnitud de las distorsiones incidentes, obteniendo así el mejor funcionamiento en cada situación concreta. Sin embargo, una modificación de la focal de las lentes del sensor Hartmann-Shack implica, en principio, un desplazamiento de la cámara CCD para recoger los patrones de intensidad en el plano adecuado. Este movimiento, que puede ser del orden de milímetros o centímetros, limita la velocidad de adquisición del aparato. Asimismo, los desplazamientos de la cámara pueden alterar la alineación del sistema, lo que resulta crítico a la hora de determinar la posición relativa de los focos en el plano de la CCD.

Descripción de la invención

El procedimiento adaptativo para la medida de aberraciones ópticas se basa en la posibilidad y conveniencia de combinar dos elementos reconfigurables para formar -en un primer subsistema- un elemento de muestreo de frente de onda de características controlables, en forma de pantalla con aberturas o microlentes de características asignables a voluntad y para, en un segundo subsistema, capturar adecuadamente la información proporcionada por el primero sobre un dispositivo sensible a la radiación, en adelante detector, como por ejemplo un CCD o un CMOS. El haz de radiación aberrado que atraviesa el sistema es muestreado por el primer subsistema, dando lugar a una distribución de irradiancia característica, que es trasladada hasta el detector por el segundo subsistema, utilizando para ello un sistema óptico que incluye al menos un elemento de potencia óptica variable.

El subsistema de muestreo puede incluir un conjunto de aberturas (sensor Hartmann) o un conjunto de microlentes esféricas (sensor de Hartmann-Shack). Este subsistema se puede implementar por medio de una pantalla TNLCD según cualquiera de los procedimientos ya descritos en la patente P 2007 00870 o en la publicación de Justo Arines, Vicente Durán, Zbigniew Jaroszewicz, Jorge Ares, Enrique Tajahuerce, Paula Prado, Jesús Lancis, Salvador Bará and Vicent Climent, "Measurement and compensation of optical aberrations using a single spatial light modulator" (Optics Express, Vol. 15, No. 23, 15287-15292, 12 November 2007). Dicha pantalla puede funcionar en régimen de modulación de amplitud (sensor Hartmann) o esencialmente en régimen de modulación de fase (sensor Hartmann-Shack). Dentro del ámbito de esta invención, otros tipos de sensores, que en lo sucesivo denominaremos sensores Hartmann-Shack modificados, pueden construirse codificando, en vez de las microlentes esféricas del sensor Hartmann-Shack, microlentes cilíndricas, microaxicones o cualquier otro tipo de distribución de fase variable espacialmente que proporcione una distribución de radiación que permita, mediante medidas de irradiancia, la extracción de información sobre la aberración del haz por los procedimientos habituales o por los nuevos desarrollos que con el mismo fin puedan producirse en el futuro. El uso de elementos reconfigurables para formar matrices de microlentes para la medida de aberraciones, en vez de utilizar las tradicionales microlentes estáticas fabricadas en substratos de vidrio, permite entre otras cosas modificar con gran flexibilidad las características de la matriz (número de microlentes, focales de las mismas, distribución en la pupila, etc), adecuando estos parámetros a las peculiaridades del haz incidente en el sistema. Por tanto, es posible variar con estos elementos la posición en la que se forma el patrón de irradiancia necesario para el cálculo de la aberración del haz. Dicha variación permite el muestreo del frente de onda con rango dinámico y sensibilidad variables. Además de los elementos anteriormente mencionados, existen otros elementos capaces de proporcionar...

1. Procedimiento para la medida de aberraciones ópticas con sensibilidad y rango dinámico variables que utiliza un elemento óptico reconfigurable (11) como parte de un subsistema de muestreo (1), de tipo Hartmann o Hartmann-Shack, otro elemento óptico reconfigurable (21) como parte de un subsistema óptico de traslado (2), y un detector de radiación (4) como parte del subsistema de detección y control, caracterizado porque las propiedades de sensibilidad y rango dinámico del sistema de medida se pueden modificar de forma dinámica sin necesidad de desplazar el detector (4).

2. Procedimiento para la medida de aberraciones ópticas con sensibilidad y rango dinámico variables, según la reivindicación 1, caracterizado por medir las aberraciones haciendo uso de un subsistema óptico de muestreo (1) que comprende medios para hacer pasar el haz de luz u otra radiación electromagnética por el elemento reconfigurable (11) que muestrea el frente de onda incidente y forma un patrón de irradiancia (P), adecuado para la medida de aberraciones, a una distancia axial variable y controlable.

3. Procedimiento para la medida de aberraciones ópticas con sensibilidad y rango dinámico variables, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por medir las aberraciones haciendo uso de un subsistema óptico de traslado (2) que comprende un elemento óptico reconfigurable (21) que varía sus propiedades ópticas, y medios para hacer pasar la radiación a través del elemento reconfigurable, a fin de trasladar los patrones de irradiancia (P) generados por el sistema anterior (1) formando una imagen (I) sobre un detector (4) cuya posición es fija.

4. Procedimiento para la medida de aberraciones ópticas con sensibilidad y rango dinámico variables, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por medir las aberraciones haciendo uso de un subsistema de detección y control que comprende medios (4) para detectar la radiación procedente de la zona de muestreo a través del sistema de traslado, y medios (5) para el procesado de estos datos y para el control (6) de los elementos reconfigurables (11) y (21).

5. Procedimiento para la medida de aberraciones ópticas con sensibilidad y rango dinámico variables, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el elemento reconfigurable (11) contiene subpupilas para el muestreo del haz y funciona como un sensor de gradiente del frente de onda tipo Hartmann, en el que las subpupilas de muestreo son aberturas, o como un sensor Hartmann-Shack, en el que las subpupilas de muestreo son microlentes, obteniéndose la medida de la aberración (F) del haz incidente (A) a partir de las modificaciones sufridas por las distribuciones de irradiancia producidas por las subpupilas de muestreo del haz.

6. Procedimiento para la medida de aberraciones ópticas con sensibilidad y rango dinámico variables, según la reivindicación 5, caracterizado por que las propiedades de las subpupilas de muestreo se modifican para adaptar su posición, tamaño, número, geometría, distancia focal y eficiencia difractiva a las particulares características del frente de onda cuya aberración se desea medir.

7. Procedimiento para la medida de aberraciones ópticas con sensibilidad y rango dinámico variables, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el dispositivo reconfigurable (2) contiene una lente (21) que modifica su distancia focal de tal forma que el subsistema de traslado siempre forma una imagen (I) de la distribución de irradiancia (P) producida por el subsistema de muestreo (1) sobre el detector (4), independientemente de las modificaciones introducidas en el módulo reconfigurable (11) y sin necesidad de desplazar el detector (4).

8. Procedimiento para la medida de aberraciones ópticas con sensibilidad y rango dinámico variables, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la variación de la potencia de la lente variable (21) en el sistema reconfigurable (2), acompañada o no de la variación de las distancias focales de las microlentes del sistema reconfigurable (1), permite asignar cada uno de los focos del patrón de irradiancia a la microlente o abertura correspondiente, eliminando de este modo ambigüedades, mediante una adecuada comparación de los dos patrones de irradiancia (I1) e (I2) formados en dos planos (P1) y (P2) situados a diferente distancia del módulo de muestreo (1), cuyas imágenes se forman sobre el detector (4) mediante el cambio de potencia de la lente variable (21).

9. Dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento para la medida de aberraciones ópticas con sensibilidad y rango dinámico variables, descrito en las reivindicaciones anteriores, que comprende un elemento óptico reconfigurable (11) como parte de un subsistema de muestreo (1), de tipo Hartmann o Hartmann-Shack, otro elemento óptico reconfigurable (21) como parte de un subsistema óptico de traslado (2), y un detector (4) como parte del subsistema de detección y control, caracterizado porque las propiedades de sensibilidad y rango dinámico del sistema de medida se pueden modificar de forma dinámica sin necesidad de desplazar el detector (4).

10. Dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento para la medida de aberraciones ópticas con sensibilidad y rango dinámico variables, según la reivindicación 9, caracterizado por que en el elemento reconfigurable (11) se codifican las microlentes de un sensor Hartmann-Shack con distancia focal variable de forma controlada.

11. Dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento para la medida de aberraciones ópticas con sensibilidad y rango dinámico variables, según las reivindicaciones 9 y 10, caracterizado por que el elemento óptico reconfigurable (21) del sistema de traslado (2) está constituido por una lente variable que modifica su distancia focal, a fin de trasladar los patrones de irradiancia (P) generados por las microlentes y formar su imagen (I) sobre un plano (3) cuya posición es fija.

12. Dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento para la medida de aberraciones ópticas con sensibilidad y rango dinámico variables, según las reivindicaciones 9 a 11, caracterizado por que comprende medios (4) para detectar la distribución de irradiancia generada por las microlentes y el sistema de traslado sobre el plano fijo (3), y medios (5) para procesar los datos de la citada distribución de irradiancia, a fin de determinar la aberración del haz (F).

13. Dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento para la medida de aberraciones ópticas con sensibilidad y rango dinámico variables, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el elemento reconfigurable (11) que se utiliza para el muestreo del frente de onda comprende una pantalla de cristal líquido.

14. Dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento para la medida de aberraciones ópticas con sensibilidad y rango dinámico variables, según la reivindicación 13, caracterizado por que la pantalla de cristal líquido es del tipo TNLCD (Twisted-Nematic Liquid Crystal Display).

15. Dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento para la medida de aberraciones ópticas con sensibilidad y rango dinámico variables, según las reivindicaciones 13 o 14, caracterizado por que se aplica a cada píxel de la pantalla de cristal líquido el nivel de voltaje adecuado para modificar su birrefringencia de forma tal que en cada píxel se induce un cambio del estado de polarización de la onda incidente, cambio de estado que da lugar, en combinación con un polarizador (12) y una lámina de cuarto de onda (13) situados delante de la pantalla y otra lámina de cuarto de onda (14) y polarizador (15) situados después de ella al cambio de fase adecuado en cada píxel para codificar las subpupilas del sensor Hartmann-Shack.

16. Dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento para la medida de aberraciones ópticas con sensibilidad y rango dinámico variables, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que se emplean medios ópticos (8) que comprenden lentes y/o espejos para formar una imagen del frente de onda que se pretende caracterizar sobre el elemento reconfigurable (11) para la medida de la aberración.

17. Dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento para la medida de aberraciones ópticas con sensibilidad y rango dinámico variables, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el dispositivo reconfigurable (2) que se utiliza para adaptar el sistema óptico de traslado incluye al menos una lente de focal variable (21).

18. Dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento para la medida de aberraciones ópticas con sensibilidad y rango dinámico variables, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los medios ópticos (2) para formar el subsistema de traslado comprenden una lente de focal variable (21) en el foco imagen de una lente (22), seguida de un par de lentes (23) y (24) que controlan la escala de la imagen (I) del patrón de irradiancia característico.

19. Dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento para la medida de aberraciones ópticas con sensibilidad y rango dinámico variables, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que los medios (4) para detectar la distribución de irradiancia comprenden un detector de radiación tipo CCD (Charge coupled device) o CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).

20. Dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento de óptica adaptativa para la medida de aberraciones ópticas con sensibilidad y rango dinámico variables, según cualquiera de las reivindicaciones 9 a 19, caracterizado por que comprende medios ópticos adecuados para eliminar o atenuar los órdenes de difracción no deseados producidos por la estructura pixelada del elemento reconfigurable (11), si la tuviere, y por el procedimiento utilizado para codificar la fase en dicho elemento.

21. Dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento de óptica adaptativa para la medida de aberraciones ópticas con sensibilidad y rango dinámico variables, según la reivindicación 20, caracterizado por que la propia lente variable (21) del sistema óptico de traslado (2) elimina o atenúa los órdenes de difracción no deseados producidos por la estructura pixelada del elemento reconfigurable (11), si la tuviere, y por el procedimiento utilizado para codificar la fase en dicho elemento.

22. Dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento para la medida de aberraciones ópticas con sensibilidad y rango dinámico variables, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por utilizar un elemento reconfigurable (11) que funciona por reflexión en vez de por transmisión y por utilizar adicionalmente un divisor de haz que posibilita el redireccionamiento de los haces de radiación para adaptar el sistema a esta geometría.

23. Dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento para la medida de aberraciones ópticas con sensibilidad y rango dinámico variables, según la reivindicación 22, caracterizado por hacer incidir el haz con una pequeña inclinación sobre el elemento reconfigurable (11), aprovechando la separación espacial producida por su diferente dirección de propagación y evitando así el uso del divisor de haz.

24. Dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento para la medida de aberraciones ópticas con sensibilidad y rango dinámico variables, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que una o más de las lentes que contiene el mismo se sustituyen por espejos de la misma distancia focal que aquéllas.

26. Dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento para la medida de aberraciones ópticas con sensibilidad y rango dinámico variables, según las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la adquisición secuencial de dos patrones de irradiancia existentes en dos planos situados a diferente distancia axial del subsistema de muestreo (1), mediante la correspondiente variación de la distancia focal de la lente variable (21) del subsistema de traslado para mantener el mismo plano de salida (3), y acompañada o no de una variación de la distancia focal de las microlentes en el elemento reconfigurable (11), permite asignar cada uno de los focos del patrón de irradiancia a la microlente o abertura de la que procede mediante una adecuada comparación de los dos patrones obtenidos y a partir de ello calcular la aberración.