Dispositivo opto-electrónico y métodos para colimar y determinar el grado de colimación de un haz de luz.

Dispositivo opto-electrónico y métodos para colimar y determinar el grado de colimación de un haz de luz.

La presente invención se refiere a un dispositivo opto-electrónico para determinar el grado de colimación de un haz de luz que, mediante la incorporación de un elemento de colimación 2, también puede utilizarse para colimar haces. El dispositivo comprende una red de difracción 3, una máscara 5 que incluye una multiplicidad de ventanas 4 cada una de ellas con una red de difracción, estando las redes de difracción de las ventanas 4 desfasadas entre sí, una matriz 7 de fotodetectores 6 cuyo número puede ser igual o mayor al número de ventanas 4 de la máscara 5 o bien pueden estar ubicados en una matriz con distribución bidimensional (CMOS o CCD) y uno o más elementos de procesamiento de datos 8. La invención también incluye métodos para determinar el grado de colimación de un haz de luz o para colimar un haz.

Dispositivo opto-electrónico y métodos para 'éolimar y determinar el grado de colimación de un haz de luz

Sector de la técnica La presente invención se encuadra en el sector de Tecnologla Óptica y más concretamente en el sector de Dispositivos Opto-electrónicos.

Estado de la técnica

La determinación o conocimiento det grado de colimación de un haz de luz es de gran importancia en numerosas aplicaciones ópticas, tales como dispositivos metrológicos,

sistemas para iluminación, óptica de consumo, aplicaciones de los láseres, etc. Existen métodos sencillos y bien conocidos para colimar de forma aproximada una fuente de luz general, mediante el uso de una lente, tal como el método de autocolimación. Las técnicas interferométricas para la medida del grado de colimación de un haz están entre las más precisas, siendo conocidas desde hace varias décadas [D. Malacara, ed ., Optical Shop Testing (Wiley, New York, 1978) ]. No obstante, solamente se pueden utilizar con haces de luz que tengan un alto grado de coherencia temporal o espacial, como suelen ser los láseres.

Por otra parte, en muchas situaciones es necesario conocer el grado de colimación de un haz de luz proveniente de otro tipo de fuentes tales como diodos emisores de luz

(LEDs) , diodos láser, láseres de emisión superficial con cavidad vertical (VCSELs) y otras fuentes que presentan un grado de coherencia parcial temporal y/o espacial.

Existen técnicas que permiten medir el grado de colimación de haces de luz mediante sistemas de doble red, pero necesitan realizar desplazamientos laterales, por lo que los dispositivos de colimación se vuelven complicados [L.M. Sanchez-Brea, F.J. TorcalMilla, F. J. Salgado-Remacha, T. Morlanes, l. Jimenez-Castillo, and E. Bernabeu, "Collimation method using a double grating system" Appl. Opt. 49, 3363 (2010) ].

Por otro lado, han aparecido sistemas para determinar el grado de colimación basados en una conjunción de redes lineales y circulares, pero el procesado de las senales

resulta complicado y no intuitivo [K. Patorski, K. Pokorski, and M. Trusiak, "Circularlinear grating Talbot interferometr y with moiré Fresnel imaging for beam collimation" Opt. Let!. 39, 291 (2014) ].

s 10 Asimismo, se puede determinar el grado de colimación mediante la medida del periodo de una auto-imagen y comparación con el periodo de la red de d~racción que genera dicha auto-imagen [L.M. Sanchez-Brea, F.J. Torcal-Milla, J.M. Herrera-Femandez, T. Morlanes, and E. Bernabeu "Self-imaging lechnique for beam collimation" Optics Letlers 39 (19) 5764-5767 (2014) ]. Cuando el peri, odo de la auto-imagen es el mismo que el de la red, entonces el haz está colimado. La desventaja de esta técnica es que requiere una precisión muy grande en el posicionado de los elementos ópticos y optoelectrónicos para asegurar la medida del periodo con la precisión requerida, del orden de nanómetros en muchos casos.

lS 20 La ventaja de utilizar las auto-imágenes de una red de difracción para determinar el grado de colimación de un haz es que los requisitos de la fuente de iluminación son menos restrictivos, pues el fenómeno no se debe a las interferencias, sino a la difracción. De esta forma no es necesario que la fuente sea puntual para producir autoimágenes, ni necesita ser monocromática. Por ejemplo, es conocido que las fuentes policromáticas pueden generar autoimágE!nes estables durante una larga distancia [N Guérineau, B. Harchaoui, J. Primot "Talbot experiment re-examined : demonstration of an achromatic and continuous self-imaging regime: Optics Communications 160 199203 (2000) ) .

Entre las patentes relacionadas con la invención cabe destacar:

25 La patente CN1060997 (A) que muestra un disposijivo que testea el grado de colimación de una fuente de luz láser de forma computerizada comprensiva. Incluye un ancho rango de medidas siempre que se trate de una fuente de luz láser.

La patente CN101469977 (A) que muestra un dispositivo que testea la colimación incrementando la precisión y con una estructura compacta.

30 Es por ello que el objeto de la presente patente es un dispositivo que determina el grado de colimación de un haz de forma robusta y sencilla, que sirve para distintos tipos de fuentes de luz, y no solamente, para haces láser. Asimismo, utilizando el

dispositivo que mide el grado de colimación descrito en esta patente se desarrolla un método para obtener un haz con alto grado de colimación.

Descripción detallada de la invención

Dispositivo opto-electrónico y métodos para colimar y determinar el grado de colimación de un haz de luz.

Un aspecto de la presente invención se refiere a un dispositivo opto-electrónico que permite medir el grado de colimación ele un haz láser o un haz de luz con una coherencia parcial espacial o temporal y que, asimismo, sirve para colimar un haz de 10 luz con precisión cuando se le añade un elemento colimador.

En esta memoria descriptiva, se entiende por "haz de luz" o, simplemente, "haz" cualquier tipo de haz de luz y de haz láser.

Para medir el grado de colimación de un haz de luz, en la presente invención se utiliza una red de difracción 3 de un periodo p. Al propagarse la luz, debido a efectos 1S difractivos, se generan auto-imágenes a varias distancias de la red de difracción [K.

Patorsky, "The self-imaging phenomenon and its applications: Progress in Optics 27 1108 1989]. Si A es la longitud de onda media del haz de luz, y la red de difracción modula la amplitud de dicha onda, las aut () -imágenes generadas se ubican a distancias múltiplos enteros de la distancia de Talbot z ~ p'/A. En la referencia [L.M. Sanchez

Brea, F.J. Torcal-Milla, F. J. Salgado-Remacha, T. Morlanes, 1. Jimenez-Castillo, and E. Bemabeu, "Collimation method using a double grating system" Appl. Opl. 49, 3363 (2010) J se describe un sistema que utiliza una red de difracción de periodo p y una máscara con dos ventanas, cada una con una red de difracción de periodo p, desplazadas entre si p/4 (90 gradOS eléctricos) . Mediante las señales eléctricas, S. y

S. respectivamente, generadas por dos fotodetectores ubicados detrás de las redes de difracción de las dos ventanas, se puedE> obtener una Figura de lissajous al mover

lateralmente y de forma continuada la red de difracción .

La forma de la Figura de lissajous depe, nde de diversos aspectos. Si utilizamos un modelo puramente geométrico para el anállisis del dispositivo, la Figura de Lissajous es cuadrangular o rectangular. No obstante, debido a efectos difractivos, el tamaño finito de la fuente de luz, la policromaticidad de la fuente de luz, o a un mal posicionamiento de los elementos que involucran el dispositivo, la Figura de Lissajous presenta una forma más redondeada. Este tipo de formas se pueden describir matemáticamente,

como veremos posteriormente.

La forma de la Figura de Lissajous también depende del grado de colimación del haz. Cuando el haz está colimado, la Figura ele Lissajous es simétrica respecto a los ejes vertical y horizontal, mientras que cuando el haz está descolimado la Figura de Lissajous se hace elipsoidal y no simétrica respecto a los mismos ejes. Por consiguiente, la medida de la elipticidad d, . la Figura de Lissajous obtenida nos permite detenminar el grado de colimación del haz de luz. El problema que se plantea con la solución descrita en la referencia [L.M. Sanchez-Brea, F.J. Torcal-Milla, F. J. SalgadoRemacha, T. Morlanes, 1. Jimenez-Castillo, and E. Bemabeu, "Collimation method using a double grating system" Appl. Opl. 49, 3363 (2010) ] es que, para generar la Figura de Lissajous, se requiere el desplazamiento lateral mecánico de la red de difracción respecto de la máscara con dos ventanas y los fotodetectores del dispositivo. Aunque este sistema es viable en prototipos de laboratorio, el movimiento continuo de la red de difracción hace que un dispositivo que utilice esta tecnología sea complicado y costoso.

En la presente invención se simplifica el método de obtención de la Figura de Lissajous con respecto a lo descrito en los párrafos anteriores. Un esquema del dispositivo de la invención se muestra en la Figura 1. En lugar de requerir un movimiento relativo entre la red de difracción y la máscara fonmada por dos ventanas, cada una de las cuales tiene un fotodetector detrás, como tenía el dispositivo descrito en ]L.M. Sanchez-Brea,

F.J. Torcal-Milla, F. J. Salgada-Remach .. , T. Morlanes, 1. Jimenez-Castillo, and E. Bernabeu, "Collimation method using a double grating system" Appl. Opl. 49, 3363 (2010) ], en la presente invención se sustituye dicha máscara con únicamente dos ventanas por una mascara 5 con una multi'plicidad...

s 1. Dispositivo para determinar el grado de colimación de un haz de luz que comprende: -una red de difracción 3, -una máscara 5 que incluye N ventanas 4, cada una de ellas con una red de difracción, estando las redes de difracción de las ventanas 4 desfasadas entre si I -una matriz 7 de fotodetectores 6 cuyo número es, al menos, igual al número N de ventanas, -uno o más elementos de procesamiento de datos 8, donde el número de ventanas N 2: 4.

10 2. Dispositivo según la reivindicación 1 en el que la máscara 5 incluye 16 ventanas 4.

15 3. Dispositivo según cualquiera de las. reivindicaciones anteriores en el que el desplazamiento entre las redes de difracción de cada ventana 4 es igual a 360º/N, donde N es el número de ventanas 4.

4. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones ventanas 4 están duplicadas con el mismo desfase. anteriores en el que las

20 5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que la distancia d entre el eje óptico del haz de luz y el CEintro de la ventana 4 es la misma para todas las ventanas 4.

25 6. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1-4 en el que las ventanas 4 están dispuestas en 4 o más columnas.

7. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores fotodetectores 6 se ubican en una distribUl;ión bidimensional. en el que los

S 8. Dispositivo según la reivindicación 7 en el que la distribución bidimensional es una cámara CMOS o una cámara CCD.

10 9. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que los elementos para el procesamiento de datos 8 se seleccionan entre el grupo formado por: una placa electrónica, un microproces, ador y un ordenador.

lS 10. Dispositivo para colimar un haz de luz que comprende: -un elemento de colimación 2, -una red de difracción 3, -una máscara 5 que incluye N ventanas 4· cada una de ellas con una red de difracción, estando las redes de difracción de las venlanas 4 desfasadas entre sí, -una matriz 7 de fotodetectores 6 cuyo número es, al menos, igual al número N de ventanas, -uno o más elementos de procesamiento de datos 8, donde el número de ventanas N 2: 4.

20

11 . Disposttivo según la reivindicación 10 , en el que el elemento de colimación 2 es una lente, un conjunto de lentes o un Elemento Óptico Difractivo.

2S 12. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 10-11 en el que la máscara 5 incluye 16 ventanas 4.

13. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 10-12 en el que el desplazamiento enlre las redes de dffrac:ción de cada ventana 4 es igual a 36001N, donde N es el número de ventanas 4.

14. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 10-13 en el que las ventanas 4 están duplicadas con el mismo desfase.

15. Dispositivo según cualquiera de las re, ivindicaciones 10-14 en el que la distancia d entre el eje óptico del haz de luz y el centro de la ventana 4 es la misma para todas las ventanas 4.

16. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 10-15 en el que las ventanas 4 están dispuestas en 4 o más columnas.

17. Disposttivo según cualquiera de las reivindicaciones 10-16 en el que los fotodeteclores 6 se ubican en una distribución bidimensional.

18. Dispositivo según la reivindicación 17 en el que la distribución bidimensional es una cámara CMOS o una cámara CCD.

19. Disposttivo según cualquiera de las reivindicaciones 12-18 en el que los elementos

para el procesamiento de datos 8 se seleccionan entre el grupo formado por: una placa electrónica, un microprocesador y un ordenador.

20. Método para determinar el grado de 'colimación de un haz de luz que incluye los siguientes pasos:

a) hacer pasar el haz de luz a través de un disposttivo según se define en las reivindicaciones 1-9,

b) obtener una Figura de Lissajous, c) detenninar el grado de elipticidad de ta Figura de Lissajous.

21. Método según ta reivindicación 20 en el que el grado de elipticidad de la Figura de

s Lissajous se detennina mediante medición visual.

22. Método según la reivindicación 20 en el que el grado de elipticidad de la Figura de Lissajous se detennina matemáticamente , añadiendo los siguientes pasos:

d) obtener experimentalmente los datos dE> la matriz A de la ecuación donde z= (a, b, c) se obtienen a partir de datos experimentales {SA y Se} de las señales detectadas por los fotodeteclores 6 y donde u, = (xf -yf) 2 , V, = (x; + y;) y asl 15 sucesivamente, mediante la resolución de la ecuación e) obtener los parámetros R, y R2 de la eCIJación 2 -2 R, .

21. e'

-2

~= 2b+ c'

f) obtener la elipticidad e según la ecuación

2e -2e e2

=--o el =-

2b+.

2. c

seleccionando el parámetro de elipticidad, e, con valor positivo.

23. Método para colimar un haz de luz que incluye los siguientes pasos:

a) hacer pasar el haz de luz a través de un dispositivo según se define en las

reivindicaciones 10-19,

b) obtener una Figura de Lissajous, e) determinar el grado de elipticidad de la Figura de Lissajous,

d) desplazar la fuente de luz 1 con respecto al elemento de colimación 2, a lo largo del

eje óptico, e) monitorizar el parámetro de elipticidad e del paso e) 1) detener el desplazamiento de la fuente de luz 1 cuando el parámetro e sea mlnimo, teniendo en cuenta que los pasos 10) y d) se realizan simultáneamente o

consecutivamente y que por mlnimo se entiende el menor valor posible de la elipticidad a lo largo de la medida completa.

24. Método para colimar un haz de luz se, gún la reivindicación 23 en el que el paso c)

se realiza mediante medición visual.

25. Método para colimar un haz de luz se, gún la reivindicación 23 en el que el paso c) se realiza matemáticamente siguiendo los .siguientes pasos:

i) obtener los datos de la matriz A de la ecuación donde z= (a, b, e) se obtienen a partir de d ••tos experimentales ISA y Se} de las senales detectadas por los fotodetectores 6 y donde u, ; (xr -yrJ' , v, ; (xr +yrJ y así sucesivamente, mediante la resolución de la ecuación ii) obtener los parámetros R1 Y R, de la ecuación , -2 R, .

2. e' , -2

~= 2b+c' iii) obtener la elipticidad e según la ecuación

2.

2. 2e e = 2b+ e o e --:-e

=-;;2Tb:':

seleccionando el parámetro de elipticidad, e, con valor positivo.