Perfilometro tridimensional por absorción óptica de fluidos.

Perfiló metro tridimensional por absorción óptica en fluidos. SECTOR DE LA TÉCNICA La aplicación general de la invención es la medida de la topografía de 5 cualquier superficie sobre substrato transparente o traslúcido. en especial aplicada a todo tipo y forma de superficie óptica y dispositivos micro-ópticos, por complejos que sean en su forma y elevadas las pendientes que la conforman. Permite por tanto la perfilometría tridimensional de superficies. ESTADO DE LA TÉCNICA 10 Las técnicas para medir la topografía de una superficie son muy variadas. En particular, la luz se usa de maneras diferentes para éste propósito desde antiguo y constantemente se van adaptando o mejorando las estrategias conocidas. Por ejemplo, a través de la medida de la interferencia de la luz que se refleja en una superficie al compararla con un haz de referencia. En este 15 caso la aparición de franjas de interferencia nos informa de la topografía a modo de curvas de nivel. También se utiliza la luz mediante microscopía confocal y técnicas similares en las que un foco luminoso puntual actúa parecido a una sonda mecánica que barre la superficie, detectando variaciones en altura. 20 Las técnicas de imagen basadas en interferencia o en microscopía confocal requieren de un barrido o movimiento de elementos mecánicos para obtener la información. La necesidad de movimientos mecánicos o de barridos de sondas mecánicas o luminosas hace la técnica más propensa a errores y da lugar a un consumo de tiempo significativo. 25 Con niveles peores de resolución en altura, encontramos la proyección de luz estructurada y la triangulación o el shadow-Moiré, más típicamente utilizadas en superficies con reflexión difusa. Todas las técnicas conocidas basadas en la reflexión de la luz sobre la superficie a explorar tienen limitaciones para abordar pendientes locales t $ re .$ moderadamente altas o ya en el extremo de superficies cuasi discontinuas, como por ejemplo en redes almenadas, lentes de Fresnel clásicas y matrices de microprismas. Asimismo, en la mayoría de las propuestas conocidas, la resolución en altura 5 depende proporcionalmente del campo de observación o extensión del área explorada, si se basa en el procesado de imágenes del área explorada. Si la técnica se basa en un barrido punto a punto la resolución en altura no depende de la extensión del barrido, pero sin embargo, la medida es extremadamente lenta en comparación. 10 Recientemente se han incorporado propuestas basadas en luz transmitida que utilizan la absorción óptica en un líquido para obtener información topográfica de una muestra. Por la conocida ley de Lambert-Beer se puede predecir la intensidad, o más propiamente la radiancia, de un haz luminoso conforme atraviesa un material óptico absorbente en función de la distancia 15 recorrida t y del coeficiente de absorción a. En particular, la transmitancia aplicable a ese haz es expresable como T=exp (-at) . Así, encontramos el trabajo de Steven R. Ogilvie et al (Image Anal. Stereol. 2002 y Earth and Planetar y Science Letters 2001) que se describe a continuación. Por encima de la superficie a explorar se vierte absorbente 20 óptico en disolución acuosa hasta un cierto nivel de referencia, una fuente luminosa extensa arbitraria introduce luz por abajo y por encima se coloca una cámara digital que toma una imagen de la superficie de interés a través del líquido absorbente. Para poder tener un análisis correcto de la información hace falta tomar una segunda imagen de referencia, para ello Ogilvie y 25 colaboradores proponen el uso de agua pura (no absorbente) cubriendo la muestra al mismo nivel que el absorbente. Esto es necesario para poder calcular la transmitancia T punto a punto como el cociente de la imagen con absorbente respecto a la imagen con agua pura (cociente referido a valores de señalo niveles de gris punto por punto) . Para ello es necesario vaciar y 30 rellenar los líquidos y con ello se debe mover la muestra y volverla a colocar en posición. Esta forma de proceder es inconveniente, por la dificultad de obtener niveles de líquido precisos y por la necesidad de un estricto alineamiento y posicionado de la muestra entre imágenes, dando lugar a errores. La técnica propuesta en la patente y publicaciones de Model 5 (US2009/0027676A 1 y en Joumal of Microscopy, 2008) , plantea una idea similar orientada a la observación de superficies con un microscopio. Las superficies son iluminadas y barridas por un haz luminoso focalizado en una zona pequeña, por ejemplo un haz láser. En este caso no se utiliza una imagen de referencia sino que se asume que la intensidad del haz luminoso 10 incidente es constante sobre el campo de observación yen el tiempo, lo cual no es fácil de cumplir. El esquema e hipótesis de Model tampoco es suficiente para explorar una superficie genérica, en particular con pendientes elevadas, ya que la luz transmitida en la dirección y apertura de observación no sólo depende de la 15 absorción óptica en el líquido, sino que también depende de la propia topografía de la muestra. Es decir, a través de la desviación de la luz por refracción se produce el consiguiente viñeteado de los haces al no entrar total o parcialmente en la apertura de captación, es decir, en la pupila de entrada del sistema óptico de formación de imagen. Por ello, la atenuación observada 20 de la luz no sólo depende de la absorción óptica en un líquido sino del diseño óptico, incluyendo en este la propia fuente de iluminación. Por todo ello, el planteamiento de Model es complicado para un análisis de los datos que permita extraer de manera fiable la topografía de una superficie arbitraria. En casos de pendientes elevadas puede ser incluso inviable por la pérdida total 25 de los haces luminosos. DESCRIPCiÓN DE LA INVENCiÓN La invención permite, por contraste con las técnicas del estado de la técnica, la metrología topográfica de superficies ópticas complejas, con pendientes máximas de hasta 90° y totalmente escalable en el área de exploración, 30 desde micras a decenas de cm. No requiere de componentes móviles ni tampoco de estabilidad temporal en la fuente de iluminación. En esencia, la invención utiliza la luz transmitida y la medida de la atenuación óptica al interponer un fluido absorbente entre la superficie de estudio y una superficie de referencia. Para resolver las dificultades mencionadas en el estado de la técnica se introducen dos novedades relativas a propiedades 5 específicas de la fuente de iluminación y descritas por: 1) el uso de una fuente luminosa extensa que emite (para todo punto y dirección) en al menos dos bandas espectrales estrechas y que sea posible diferenciarlas, bien porque se emitan así en origen o porque se diferencian a posteriori por medio de filtros de paso-banda antes de la detección. Una 10 banda espectral actuará como luz sensora y la otra banda espectral como luz de referencia, y 2) la fuente luminosa debe cumplir la propiedad de que el cociente de radiancias entre bandas espectrales no depende ni de la posición de la fuente observada, ni de la dirección de observación (en un semiespacio) . Las 15 radiancias pueden variar su magnitud con la posición y dirección de observación, pero no el cociente de las mismas. La radiancia debe entenderse como la radiancia integrada en la banda espectral correspond iente. Estas condiciones de la fuente luminosa garantizan el poder realizar una 20 medida topográfica fiable, rápida y sin partes móviles de ninguna clase. En la figura 1 se muestra un esquema completo de configuración del invento en una realización preferente. La superficie a medir (221) y una superficie de referencia (241) se acercan la una a la otra con un fluido interpuesto (23) , líquido o gas, capaz de absorber luz en alguna región espectral (41) (figura 25 4) , en particular lo debe hacer de manera diferente en cada banda espectral diferenciada de la fuente (42) (43) (figura 4) . El líquido absorbente (23) rellena toda la distancia entre ambas superficies (221) Y (241) . La superficie de estudio (221) pertenece a un substrato (22) que debe ser transparente o translúcido a las bandas espectrales en consideración (figuras 30 2 Y 3) . El vidrio o substrato de referencia (24) debe ser transparente a esas bandas espectrales y está definido por la superficie (242) y la superficie (241) que hace de superficie de referencia o comparación con la que es objeto de estudio (221) . El substrato de referencia (24) debe permitir observar a su través y directamente la superficie a estudiar (221) y por medio de un sistema de captación de imagen ( (31) , (32) Y (33) ) . 5 El conjunto de muestra, líquido absorbente y substrato de referencia ( (22) , (23) Y (24) ) se ilumina con una fuente luminosa extensa, cuya superficie de emisión (real o aparente) (15) tiene las propiedades descritas...

1. Un dispositivo para medir la topografía de superficies sobre substrato transparente por transmisión de la luz que comprende: 5 una fuente luminosa extensa cuya superficie (real o aparente) provee de radiación luminosa difusa en al menos dos bandas espectrales diferenciadas, y en la que el cociente de radiancias de dichas bandas espectrales ha de ser constante o muy aproximadamente constante con la posición o punto observado y con la dirección de observación, 10 una superficie a medir que conforma una cara de un substrato o medio material que es transparente o traslúcido a las dichas bandas espectrales, una superficie de referencia contra la que comparar y que conforma una cara de una ventana, una lente, un medio óptico o en general, un substrato transparente y homogéneo, y del que se conoce su topografía en 15 conjunto y que permite la observación a través del mismo de la superficie a medir y permite por tanto obtener una imagen de la dicha superficie a medir, un fluido ópticamente absorbente interpuesto o que rellena totalmente el espacio entre la superficie de referencia y la superficie de la que se desea medir la topografía o figura perfilométrica. El fluido debe tener propiedades de 20 absorción diferentes para al menos dos de las bandas espectrales diferenciadas de la fuente luminosa mencionada, un sistema de captación de imágenes sensible a la luz emitida por dicha fuente y que pueda registrar imágenes de la superficie a medir a través de los medios ópticos interpuestos, 25 unos medios físicos y computacionales que permitan un posterior tratamiento cuantitativo de las imágenes. 2. Un dispositivo para medir topografía de superficies según la reivindicación 1 caracterizado porque se conocen las propiedades de absorción del fluido 30 (líquido o gas) . 5 10 3. Un dispositivo para medir topografía de superficies según la reivindicación 1 caracterizado porque el vidrio o substrato de referencia tiene escalones tallados de salto conocido lo que permite auto-calibrar la medida sin necesidad de conocer la absorción del fluido. 4. Un dispositivo para medir topografía de superficies según la reivindicación 1 caracterizado porque el vidrio de referencia y el dispositivo de captación de imagen tienen una configuración que permite una observación telecéntrica de la superficie a medir. 5. Un dispositivo para medir topografía de superficies según la reivindicación 1 caracterizado porque la superficie de referencia es plana. 6. Un dispositivo para medir topografía de superficies según la reivindicación 15 1 caracterizado porque la superficie de referencia es curvada, típicamente esférica (cóncava o convexa) . 7. Un dispositivo para medir topografía de superficies según la reivindicación 1 caracterizado porque la fuente extensa es una esfera integradora en la que 20 se ilumina interiormente con al menos dos fuentes de banda estrecha, típicamente LEDs, pero pueden ser láseres o fuentes policromáticas con filtros ópticos paso-banda. 8. Un dispositivo para medir topografía de superficies según la reivindicación 25 1 caracterizado porque las imágenes se adquieren a través de filtros espectrales paso-banda interpuestos en el recorrido de la luz, en alguna posición desde los emisores luminosos primarios hasta el propio sensor de imagen. 30 9. Un dispositivo para medir topografía de superficies según la reivindicación 1 caracterizado porque en el substrato de referencia, la superficie opuesta a la de referencia tiene un tratamiento antirreflejante en las bandas espectrales de exploración. 10. Un dispositivo para medir topografía de superficies según la reivindicación 5 1 caracterizado porque la luz incide primero en la superficie a medir y después en la de referencia. 11. Un dispositivo para medir topografía de superficies según la reivindicación 1 caracterizado porque la luz incide primero en la superficie de referencia y 10 después en la que se quiere medir, 15 12. Un dispositivo para medir topografía de superficies según la reivindicación 10 caracterizado porque el fluido absorbente tiene un índice de refracción menor o igual que el material del substrato de la superficie a muestrear. 13. Un dispositivo para medir topografía de superficies según la reivindicación 11 caracterizado porque el fluido absorbente tiene un índice de refracción mayor o igual que el material del substrato de la superficie a muestrear. 20 14. Un dispositivo para medir topografía de superficies según la reivindicación 1 caracterizado porque el fluido absorbente tiene un índice de refracción intermedio entre el substrato de muestra y el substrato de referencia. 15. Un dispositivo para medir topografía de superficies según la reivindicación 25 1 caracterizado porque el fluido absorbente es una disolución acuosa de cualquier absorbente material (líquido o sólido) . 16. Un dispositivo para medir topografía de superficies según la reivindicación 14 caracterizado porque se sitúa un difusor de luz cercano (o en contacto 30 óptico) al substrato de la muestra a medir por el lado o cara opuesta a la superficie a topografiar. 5 17. Un dispositivo para medir topografía de superficies según la reivindicación 15 caracterizado porque se sitúa un difusor de luz cercano (o en contacto óptico) al substrato de la referencia por el lado o cara opuesta a la superficie de referencia. 18. El uso del dispositivo según la reivindicación 1 para la medida de topografía de todo tipo de superficies ópticas y no ópticas que permitan el paso de la luz a su través. 10 19. El uso de un objeto estructurado que permita la calibración de las coordenadas espaciales de un dispositivo según la reivindicación 1. 20. Un procedimiento de tratamiento de las imágenes obtenidas por el dispositivo de la reivindicación 1 para obtener un perfil topográfico que 15 comprende: la adquisición de una primera imagen 11, tomada con iluminación en una banda espectral dónde el fluido empleado tiene coeficiente de absorción la adquisición de una segunda imagen b, tomada con iluminación en 20 una banda espectral dónde el fluido empleado tiene coeficiente de absorción la adquisición de una imagen con la fuente luminosa apagada que mide una imagen de fondo IF, la estimación de una imagen de transmitancia bi-banda M por medio de 25 la fórmula M= (b-IF) / (11-IF) que toma la señal de las imágenes mencionadas punto a punto, finalmente, la estimación punto a punto del perfil topográfico de la muestra respecto a la superficie de referencia, tlt, a través de la fórmula tlt=-In (M) ·ts, dónde ts es el parámetro de absorción del fluido que se relaciona con 30 los coeficientes de absorción del fluido empleado como tS=1/ (U2-U1) .