Dispositivo y procedimiento de medida de frente de onda.

La presente invención propone un nuevo procedimiento, dispositivo y producto de programa informático para la medida de frentes de onda.

El procedimiento y dispositivo para la medida de un frente de onda objeto de la presente invención comprende la obtención de un sensor de frente de onda de apertura sintética. En dicho procedimiento y dispositivo, el sensor de frente de onda de apertura sintética comprende generar un patrón de muestreo sintético que se obtiene agrupando al menos dos patrones de muestreo diferentes. El procedimiento y dispositivo se emplean para la medida de frentes de onda, medida de aberraciones oculares, la caracterización de elementos ópticos, medida de distancias, caracterización de superficies, y para fines metrológicos.

Dispositivo y procedimiento de medida de frente de onda

SECTOR TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se dirige a incrementar la precisión, exactitud y resolución espacial de sensores de frente de onda basados en medidas del gradiente local del frente de ondas.

La invención se dirige principalmente a los sectores de instrumentación optoelectrónica, óptica, optométrica y oftálmica, para aquellas aplicaciones en las que se requiera medir o caracterizar frentes de onda.

ESTADO DE LA TÉCNICA

Las aberraciones ópticas son desviaciones de la geometría de los frentes de onda respecto a sus valores ideales. Su medida y compensación es una tarea de fundamental importancia para obtener las máximas prestaciones de la instrumentación, aplicaciones metrológicas, así como para la mejora de la calidad de operación de un número creciente de sistemas de diagnóstico en optometría y oftalmología, y/o para estudios de carácter básico en óptica fisiológica y de la visión.

En las últimas décadas se han desarrollado dispositivos que permiten medir las aberraciones con mayor velocidad y fiabilidad, entre otros los sistemas de trazado de rayos con láser (R. Navarro and E. Moreno-Barriuso, "Laser raytracing method for optical testing" Opt. Lett. 24, 951-953 (1999) ) , los sensores de frente de ondas 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 and Roland Shack, "Histor y and Principles of Shack-Hartmann Wavefront Sensing", Journal of Refractive Surger y , vol 17, S573S577 (September/October 2001) ) . En estos dos últimos sensores, el frente de ondas se muestrea mediante un elemento de muestreo que consiste en una pantalla con subpupilas, que son orificios (en los sensores Hartmann) o microlentes (en los sensores Hartmann-Shack) . La información sobre las aberraciones del frente se obtiene procesando las distribuciones de irradiancia, asociadas a cada una de las regiones de muestreo, generadas tras atravesar el haz incidente el elemento de muestreo y tras propagarse una distancia en el espacio desde cada región hasta el detector de radiación, habitualmente una cámara CCD o CMOS.

La precisión y exactitud de los sensores tipo Hartmann-Shack o Laser Ray Tracing depende por una parte de los procesos de detección y procesado de las imágenes registradas de las distribuciones de irradiancia (imagen aberrométrica) , y por otro lado del estimador que se emplee para obtener los coeficientes modales estimados a partir de las medidas, que permiten obtener una estimación del frente de onda. La estimación depende asimismo de la distribución, número y tamaño de los puntos de muestreo que presente el sensor de frente de onda, y del criterio de minimización empleado para derivarlo. En particular el número de microlentes determina el máximo número de modos que se pueden estimar debido a que cuando el número de modos estimados supera el número de medidas la matriz de estimación no invierte correctamente.

La conjunción de todos estos factores que afectan tanto a las medidas como al elemento empleado para el muestreo del gradiente local del frente de onda provoca que por ejemplo el numero óptimo de coeficientes modales que proporciona un menor error cuadrático medio en la determinación del frente aberrado dependa de la relación señal ruido de las medidas y del patrón de muestreo característico del sensor empleado [Salvador S Bará, Eliseo E Pailos, and Justo J Arines, “Signal-to-noise ratio and aberration statistics in ocular aberrometr y ”, Opt Lett 37 (12) :2427-9 (2012) ].

Actualmente el procedimiento más habitual para reducir el error en la estimación del frente de onda consiste en realizar varias medidas aberrométricas, estimar los coeficientes modales a partir de cada una de ellas y posteriormente calcular el valor medio de dichos coeficientes. Sin embargo el número máximo de modos que se puede estimar está fijado por el número de puntos de muestreo del sensor de frente de onda, siendo este independiente del número de medidas que se promedien.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención propone un nuevo procedimiento, dispositivo y producto de programa informático para la medida de frentes de onda.

El procedimiento para la medida de un frente de onda objeto de la presente invención comprende la obtención de un sensor de frente de onda de apertura sintética. Dicho procedimiento, que permite obtener un sensor de frente de onda de apertura sintética, comprende generar un patrón de muestreo sintético que se obtiene agrupando al menos dos patrones de muestreo diferentes. En una realización, los distintos patrones de muestreo se generan mediante el cambio de la posición relativa entre el patrón de muestreo original del sensor de frente de onda y el frente de onda que se mide y que por tanto difieren en la posición relativa entre sus regiones de muestreo y el frente de onda que se mide. En otra realización los distintos patrones de muestreo se generan cambiado la geometría del propio patrón de muestreo. En otra realización los distintos patrones de muestreo se generan cambiando el número de regiones de muestreo de cada uno de los patrones. El patrón de muestreo sintético presenta una serie de regiones de muestreo, que serán como máximo igual a la suma de las todas las regiones de muestreo presentes en todos los patrones de muestreo Se entiende por región de muestreo aquella región del frente de ondas medido que es seleccionada por algún procedimiento o sistema con el fin de proporcionar una medida del gradiente local del frente de onda en dicha región.

Se entiende por patrón de muestreo un conjunto de regiones de muestreo con una determinada geometría y distribución espacial respecto al frente de onda que se mide.

Se entiende por elemento de muestreo un elemento del sistema en el que se encuentran las regiones de muestreo formando un determinado patrón de muestreo.

Se entiende por patrón de muestreo original una distribución espacial de regiones de muestreo con una determinada geometría que va a ser modificada para generar otros patrones de muestreo.

Se entiende por cambio de geometría el cambio de distribución espacial de las regiones de muestreo, en la geometría de dichas regiones o en una combinación de ambos.

El cambio en la posición relativa entre el frente de onda y el patrón de muestreo original se puede conseguir mediante una transformación afín, una transformación no afín o una combinación de ambas. En un aspecto de la invención el cambio de posición relativo del patrón de muestreo respecto al frente de onda se obtiene mediante traslación de uno respecto al otro, por el cambio de tamaño relativo entre ambos, o la rotación de uno respecto al otro.

En un aspecto la invención se refiere a un procedimiento de medida de un frente de onda (100) . El procedimiento comprende,

a. generar un patrón de muestreo del frente de onda (102) ;

b. detectar la radiación (104) proveniente del patrón de muestreo que proporciona información del gradiente local del frente de onda;

c. repetir los pasos a) hasta b) para una pluralidad de patrones de muestreo distintos (106) , ; y

d. procesar la radiación detectada (108) .

En un aspecto de la invención la pluralidad de patrones de muestreo distintos se obtiene variando la posición relativa entre el frente de onda y el patrón de muestro del frente de onda con el que se está midiendo. El cambio de posición relativa entre el frente de onda y el patrón de muestreo se lleva a cabo mediante el cambio de posición del patrón de muestro respecto al frente de onda o mediante el cambio de posición del frente de onda respecto al patrón de muestreo.

En un aspecto de la invención el elemento de muestreo que contiene el patrón de muestreo comprende un sustrato que contiene una máscara con un número finito de regiones de transparencia distinta a la del sustrato que las contiene. En estas regiones de transparencia se introduce una modificación del frente de onda mediante la utilización de elementos ópticos refractivos, difractivos o una combinación de ambos.

En un aspecto de la invención el elemento de muestreo que contiene el patrón de muestreo se obtiene mediante un elemento de muestreo que comprende una máscara con un número finito de regiones en la que se introduce una modificación del frente de onda mediante el empleo de elementos ópticos refractivos, difractivos o una combinación de ambos.

En un aspecto de la invención para la generación del patrón de muestreo...

1. Procedimiento para la medida de frentes de onda (100) , que comprende,

a. generar un patrón de muestreo del frente de onda (102) ;

b. detectar la radiación (104) proveniente del patrón de muestreo que proporciona información del gradiente local del frente de onda;

c. repetir los pasos a) hasta b) para una pluralidad de patrones de muestreo distintos (106) y

d. procesar la radiación detectada (108) .

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la pluralidad de patrones de muestreo distintos se obtiene variando la posición relativa entre el frente de onda y el patrón de muestro del frente de onda con el que se está midiendo.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque la variación de la posición relativa entre el patrón de muestreo y el frente de onda comprende transformaciones afines, transformaciones no afines o una combinación de ambas.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el patrón de muestreo es generado por un elemento de muestreo que comprende un sustrato que contiene una máscara con un número finito de regiones de transparencia distinta a la del sustrato que las contiene.

5. Procedimiento según la reivindicación 4, caracterizado porque en las regiones de transparencia se introduce una modificación del frente de onda mediante la utilización de elementos ópticos refractivos, difractivos o una combinación de ambos.

6. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque patrón de muestreo es generado por un elemento de muestreo que comprende una máscara con un número finito de regiones en la que se introduce una modificación del frente de onda mediante el empleo de elementos ópticos refractivos, difractivos o una combinación de ambos.

7. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque en la generación del patrón de muestreo se emplean una pluralidad de haces de radiación.

8. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el patrón de muestreo del frente de onda se obtiene de forma secuencial empleando elementos ópticos reconfigurables capaces de modificar tanto la amplitud como la fase de la radiación con la que interaccionan.

9. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el patrón de muestreo del frente de onda se obtiene cambiando de posición secuencialmente un haz de radiación.

10. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque el cambio de posición relativo entre el patrón de muestreo y el frente de onda se consigue mediante al cambio de posición del patrón de muestreo respecto al frente de onda.

11. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque el cambio de posición relativo entre el patrón de muestreo y el frente de onda se consigue mediante el cambio de posición del frente de onda respecto al patrón de muestro.

12. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la pluralidad de patrones de muestreo se obtiene cambiando la distribución espacial y /o geométrica de las regiones de muestreo que conforman el patrón de muestreo.

13. Procedimiento según la reivindicación 12, caracterizado porque el cambio en la distribución espacial, geométrica o una combinación de ambas, de las regiones de muestreo se realiza con un elemento óptico reconfigurable.

14. Procedimiento según la reivindicación 13, en el que el elemento óptico reconfigurable comprende al menos una pantalla de cristal líquido.

15. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la detección de la radiación se lleva a cabo con al menos uno de los siguientes elementos:

• al menos un detector matricial;

• al menos un detector de cuadrante;

• al menos un fotodetector. 16- Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el procesado de la radiación detectada comprende:

a. calcular el gradiente local del frente de onda; y

b. estimar el frente de onda a partir de las medidas del gradiente local del frente de onda.

17. Producto de programa informático que comprende instrucciones de programa para provocar que un sistema de computación realice el procedimiento para la medida de frentes de onda según la reivindicación 16. 18- Producto de programa informático según la reivindicación 17, que está almacenado en unos medios de almacenamiento. 19- Producto de programa informático según la reivindicación 17, que es portado por una onda portadora. 20- Dispositivo de medida de frentes de onda que comprende:

a. un sistema de generación de patrones de muestreo diferentes del frente de onda;

b. un detector de radiación; y

c. un sistema de computación.

21. Dispositivo según la reivindicación 20, caracterizado porque el sistema de generación de patrones de muestreo permite realizar al menos un cambio de posición relativa entre el patrón de muestreo y el frente de onda.

22. Dispositivo según la reivindicación 20 que comprende un sistema de determinación del movimiento que realiza el frente de onda con respecto al patrón de muestreo.

23. Dispositivo según la reivindicación 20, caracterizado porque el sistema de generación patrón de muestreo comprende un sustrato que contiene una máscara con un número finito de regiones de transparencia distinta a la del sustrato que las contiene.

24. Dispositivo según la reivindicación 23, caracterizado porque en las regiones de transparencia se introduce una modificación del frente de onda mediante la utilización de elementos ópticos refractivos, difractivos o una combinación de ambos.

25. Dispositivo según la reivindicación 20, caracterizado porque el sistema de generación de patrón de muestreo comprende una máscara con un número finito de regiones en la que se introduce una modificación del frente de onda mediante el empleo de elementos ópticos refractivos, difractivos o una combinación de ambos.

26. Dispositivo según la reivindicación 20, caracterizado porque se aplica una pluralidad de haces de radiación al sistema de generación de patrón de muestreo.

27. Dispositivo según la reivindicación 20, caracterizado porque el sistema de generación de patrones de muestreo cambia la distribución espacial, geométrica o una combinación de ambas, de las regiones de muestreo.

28. Dispositivo según la reivindicación 27, caracterizado porque el sistema de generación del patrón de muestreo del frente de onda comprende al menos un elemento óptico reconfigurable capaz de modificar tanto la amplitud como la fase del frente de onda con el que interaccionan.

29. Dispositivo según la reivindicación 29 en la que el elemento óptico reconfigurable comprende al menos una pantalla de cristal líquido.

30. . Dispositivo según la reivindicación 20, en el que el sistema de computación comprende las instrucciones de programa de ordenador para:

a. calcular el gradiente local del frente de onda; y

b. calcular el frente de onda estimado.

31. Dispositivo según la reivindicación 20, caracterizado porque el detector de radiación comprende al menos uno de los siguientes elementos:

• al menos un detector matricial; 5 • al menos un detector de cuadrante;

• al menos un fotodetector.

32. Uso del dispositivo de medida de frentes de onda según las reivindicaciones 21 a 31, y del procedimiento para la medida de frentes de onda según las reivindicaciones 1 a 20, para la medida de aberraciones oculares.

33. Uso del dispositivo de medida de frentes de onda, según las reivindicaciones 21 a 31, y del procedimiento para 10 la medida de frentes de onda según las reivindicaciones 1 a 20, para la caracterización de elementos ópticos.

34. Uso del dispositivo de medida de frentes de onda según las reivindicaciones 21 a 31, y del procedimiento para la medida de frentes de onda según las reivindicaciones 1 a 20, para la medida de distancias.

35. Uso del dispositivo de medida de frentes de onda según las reivindicaciones 21 a 31, y del procedimiento para la medida de frentes de onda según las reivindicaciones 1 a 20, para la caracterización de superficies.

36- Uso del dispositivo de medida de frentes de onda según las reivindicaciones 21 a 31, y del procedimiento para la medida de frentes de onda según las reivindicaciones 1 a 20, para fines metrológicos.