Métodos y dispositivos optoelectrónicos para colimar y/o para determinar el grado de colimación de un haz de luz.

Métodos y dispositivos optolectrónicos para colimar y/o determinar el grado de colimación de un haz de luz.

La invención se refiere a un método para determinar el grado de colimación de un haz de luz y a un método para colimar un haz de luz mediante el cálculo de los periodos de dos autoimágenes, o más, generadas por una red de difracción a distancias diferentes.

Además, incluye dispositivos optoelectrónicos diseñados para llevar a cabo ambos métodos. Los distintos dispositivos comprenden una red de difracción (3), uno o varios sistemas de fotodetección (4) y un dispositivo electrónico de procesamiento de datos (5). Cuando se incluye un único sistema de fotodetección, se obtienen dos o más autoimágenes mediante espejos o mediante la inclinación del sistema de fotodetección con respecto al eje óptico del dispositivo. Los dispositivos diseñados para colimar un haz incluyen un elemento colimador (2).

Métodos y dispositivos optoelectrónicos para colimar y/o para determinar el grado de colimación de un haz de luz.

Sector de la técnica La presente invención se encuadra en el sector de la Tecnología Óptica y más concretamente en el sector de Dispositivos Optoelectrónicos.

Estado de la técnica El 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. Se dice que un haz luminoso se encuentra colimado cuando su grado de colimación es máximo. En esta situación el haz de luz se propaga paralelamente y, en el caso ideal, la divergencia es mínima. Existen métodos sencillos, bien conocidos, para colimar una fuente de luz general, mediante el uso de una lente o un sistema de lentes, tal como comparar el tamaño del haz a varias distancias o el método de autocolimación, donde se coloca un objeto real en el foco de una lente convergente para que la imagen se forme en el infinito. Seguidamente se coloca detrás de la lente un espejo plano que refleja los rayos de luz de tal forma que la imagen del mismo tamaño se forma en el objeto. Estos métodos de fácil implementación son aproximados y en la mayoría de las aplicaciones industriales o experimentales producen excesiva incertidumbre.

Las técnicas interferométricas para colimar un haz de luz o medir su grado de colimación conocidas como LSI (del inglés "lateral shearing interferometr y ") están entre las más precisas, siendo conocidas desde hace varias décadas [D. Malacara, ed., Optical Shop Testing (Wiley, New York, 1978) ]. La base de estas técnicas consiste en duplicar el frente de ondas bajo estudio, desplazarlo ligeramente y obtener el patrón de interferencia entre el frente de ondas original y el desplazado. Sin embargo, para producir dicho patrón se requiere el uso de haces de luz que tengan un alto grado de coherencia temporal y espacial, como suelen ser los láseres.

En muchas situaciones es necesario colimar o conocer el grado de colimación de un haz de luz proveniente de otro tipo de fuentes tales como diodos emisores de luz (LEOs, del inglés "Iight-emitting diodes") , diodos láser, láseres de emisión superficial con cavidad vertical (VCSELs, del inglés "vertical-cavity surface-emitting lasers") y otras fuentes que presentan un cierto grado de coherencia parcial temporal y/o espacial.

Los colimadores que utilizan redes de difracción, mediante el efecto Talbot, constituyen una técnica atractiva y muy precisa para la colimación de haces de luz de este tipo de fuentes. La ventaja de utilizar las autoimágenes de las redes de difracción para determinar el grado de colimación de un haz de luz 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 que sea monocromática.

Recientemente, se ha desarrollado una técnica para determinar el grado de colimación basada en una conjunción de redes de difracción lineales y circulares, como es la presentada en [K. Patorski, K. Pokorski, and M. Trusiak, "Circular-linear grating Talbot interferometr y with moiré Fresnel imaging for beam collimation" Opt. Lett. 39, 291 (2014) ]. El inconveniente de esta técnica es la notable dificultad en el procesado de las señales obtenidas a la salida del sistema de colimación. Otro ejemplo para medir con baja incertidumbre el grado de colimación de un haz con un grado de coherencia parcial se muestra en [L.M. Sanchez-Brea, F.J. Torcal-Milla, F. J. SalgadoRemacha, T. Morlanes, 1. Jimenez-Castillo, and E. Bernabeu, "Collimation method using a double grating system" Appl. Opt. 49, 3363 (2010) ] donde se utilizan dos redes de difracción lineales. No obstante, esta técnica requiere un desplazamiento lateral de la red, por lo que el dispositivo se vuelve complicado y costoso. También fuentes con alto grado de policromaticidad pueden generar autoimágenes cuando se utiliza una red de difracción. Por ejemplo, es conocido que las fuentes policromáticas pueden generar autoimágenes estables a una larga distancia [N Guérineau, B. Harchaoui, J. Primot "Talbot experiment re-examined: demonstration of an achromatic and continuous self-imaging regime, " Optics Communications 180 199-203 (2000) ]. Por otra parte, se puede determinar el grado de colimación de un haz mediante la medida del periodo de una autoimagen y la comparación con el periodo de la red de difracción que forma dicha autoimagen [L.M. SanchezBrea, F.J. Torcal-Milla, J.M. Herrera-Fernandez, T. Morlanes, and E. Bernabeu "Self-imaging technique for beam collimation" Optics Letters 39 (19) 57645767 (2014) ]. Cuando el periodo de la autoimagen es el mismo que el de la red, entonces el haz está colimado. La principal desventaja de esta técnica es la necesidad de conocer el periodo de la red con una precisión elevada, del orden del nanómetro en muchos casos. Esto supone un control muy estricto de las condiciones ambientales y del posicionado de los diferentes elementos ópticos y opto-electrónicos. Pequeñas variaciones de temperatura, rotaciones, desalineamientos de los componentes, etc. pueden producir variaciones del periodo de la red de difracción utilizada o variaciones del periodo de las autoimágenes. Por ello, es necesario idear un sistema que no necesite el conocimiento previo de la red de difracción utilizada.

La difracción es un fenómeno característico de la luz ligado a su carácter ondulatorio donde un haz luminoso deja de seguir una trayectoria rectilínea, tal y como indica la óptica geométrica, al encontrarse con un obstáculo o al atravesar una abertura. El efecto Talbot tiene lugar cuando una onda incide sobre una red de difracción. En el régimen de campo cercano se pueden encontrar réplicas de la forma del objeto conocidas como autoimágenes (del inglés "self-images") situadas en Zk = k p2/A, siendo k un número entero, p el periodo de la red y A la longitud de onda de campo incidente. Las distancias donde se localizan las autoimágenes, Zk, se denominan distancias de Talbot.

Basados en los fenómenos físicos mencionados, se conocen en el estado de la técnica diversos dispositivos que comprueban el grado de colimación de un haz. Entre las patentes relacionadas con la invención cabe destacar:

La patente CN1080997 (A) que muestra un dispositivo 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 comprueba la colimación incrementando la precisión y con una estructura compacta.

En definitiva existe en el estado de la técnica la necesidad de un método de determinación del grado de colimación de un haz de forma robusta y sencilla, y la necesidad de un método para obtener un haz con alto grado de colimación. Además, ambos métodos deben ser muy precisos por lo que deben ser invariantes frente a las condiciones ambientales y de posicionamiento de los diferentes elementos de los que consten sus respectivos montajes. Asimismo deben ser compatibles con distintos tipos de fuentes de luz, y no solamente con haces con alto grado de coherencia y monocromaticidad. Por otro lado, estos métodos deben ser independientes del periodo de la red de difracción.

Descripción detallada de la invención Métodos y dispositivos optoelectrónicos para colimar y/o para determinar el grado de colimación de un haz de luz.

La presente invención se refiere a un método de medición del grado de colimación de un haz de luz y a un método para colimar un haz de luz con elevada precisión. Ambos utilizan el efecto Talbot producido por la difracción en régimen de campo cercano y las autoimágenes generadas por una red de difracción para comprobar el grado de colimación y realizar la colimación. Estos métodos pueden ser aplicados a haces provenientes de fuentes extensas y/o policromáticas con gran independencia de las condiciones ambientales, del posicionado de los elementos opto-mecánicos y del periodo de la red de difracción.

En esta memoria descriptiva, se entiende por "haz de luz" o, simplemente, "haz" cualquier tipo de haz de luz, incluido un haz láser, capaz de producir autoimágenes al incidir sobre una red de difracción.

Para medir el grado de colimación de un haz, en la presente invención se utiliza una red de difracción 3 de un periodo p. Al propagarse la luz, debido a efectos difractivos, se generan autoimágenes a determinadas distancias de la red de difracción 3 [K. Patorsky, "The self-imaging phenomenon...

1. Método para determinar el grado de colimación de un haz de luz que comprende los siguientes pasos:

a) hacer incidir el haz de luz sobre de una red de difracción 3,

b) detectar, al menos, dos autoimágenes generadas por la red de difracción 3 del paso a) a, al menos, dos distancias distintas de Talbot, ZA, ZB, de dicha red de difracción 3,

c) determinar los periodos PA y PB de las autoimágenes detectadas en el paso b) ,

d) determinar el valor de a mediante la ecuación a = _ PB-PA

(6)

PBZZA-PAZZB

donde a ~ -8z/[Z, siendo 8z el desplazamiento de la fuente de luz 1 con respecto la distancia [, y siendo [ la distancia focal del elemento de colimación 2.

2. Método según la reivindicación 1 en el que se suaviza la señal periódica de las autoimágenes detectadas en el paso b) mediante el cálculo del semivariograma (3) .

3. Método según la reivindicación 2 en el que los periodos PA y PB de las autoimágenes detectadas en el paso b) se obtienen mediante el ajuste de cada semivariograma a la ecuación 2y (h) = (al +fJlh +ylhZ +olh3 ) - (az +fJzh +Yzh Z +ozh3 ) COS C;h) (4) .

4. Método para colimar un haz de luz que comprende los siguientes pasos:

a) hacer incidir el haz de luz que se desea colimar sobre un elemento colimador 2,

b) hacer incidir el haz colimado en el paso a) sobre una red de difracción 3,

c) detectar, al menos, dos autoimágenes generadas por la red de difracción 3 del paso b) a, al menos, dos distancias distintas de Talbot, ZA, ZBJ de dicha red de difracción 3,

d) modificar la distancia entre la fuente de luz 1 y el elemento colimador 2 mediante el desplazamiento de la fuente de luz 1 ylo del elemento colimador 2 a lo largo del eje óptico, y repetir el paso c) hasta que los periodos PA y PB de las auto imágenes sean iguales.

5. Método según la reivindicación 4 que, en el paso d) , incluye las siguientes etapas:

i) Realizar un ajuste por mínimos cuadrados obtenidos mediante un barrido de las medidas de los periodos de las autoimágenes al mover la fuente de luz 1 ylo el elemento colimador 2 a lo largo del eje óptico, a cada una de las expresiones PA = (1 +aZ2A) P, (S) PB = (1 + aZ2B) P·

ii) Determinar la intersección de los ajustes realizados en i) .

6. Método según la reivindicación 4 en el que se suaviza la señal periódica de las autoimágenes detectadas en el paso b) mediante el cálculo del semivariograma

(3) .

7. Método según la reivindicación 6 en el que los periodos PA y PB de las autoimágenes detectadas en el paso b) se obtienen mediante el ajuste de cada semivariograma a la ecuación

2y (h) = (al +f3l h +Yth2 +8l h3) -{ (a2 +f32h +Y2h2 +82h3 ) cos C:h) } (4) .

8. Método según la reivindicación 4, en el que se detecta que los periodos PA y PB de las autoimágenes son iguales de forma visual cuando desaparece el patrón de franjas de Vernier.

9. Método según la reivindicación 4, en el que aplicando la fórmula

PA es igual a PB cuando Pv tiende a infinito.

10. Dispositivo optoelectrónico para determinar el grado de colimación de un haz de luz de acuerdo con el método de las reivindicaciones 1-3 que comprende:

-una red de difracción 3,

-al menos, dos sistemas de fotodetección 4 ubicados a distintas distancias de la red de difracción 3, en planos paralelos al plano en el que está situada la red de difracción 3 estando al menos uno ubicado fuera del eje óptico,

-un dispositivo electrónico 5 de procesamiento de datos.

11. Dispositivo optoelectrónico para determinar el grado de colimación de un haz de luz de acuerdo con el método de las reivindicaciones 1-3 que comprende:

-una red de difracción 3,

-un divisor de haz 6 ubicado a continuación de la red de difracción 3 a lo largo del eje óptico del dispositivo,

-dos sistemas de fotodetección 4 ubicados en dos planos distintos, perpendiculares entre sí y paralelos a dos caras del divisor de haz 6, y a distintas distancias del divisor de haz 6,

-un dispositivo electrónico 5 de procesamiento de datos.

12. Dispositivo optoelectrónico para determinar el grado de colimación de un haz de luz de acuerdo con el método de las reivindicaciones 1-3 que comprende:

-una red de difracción 3,

-un divisor de haz 6 ubicado a continuación de la red de difracción 3 a lo largo del eje óptico del dispositivo,

-dos espejos 7 ubicados en dos planos distintos, perpendiculares entre sí y paralelos a dos caras del divisor de haz 6, con las caras espejadas cubiertas por sendas máscaras opacas y antirreflectantes que bloquean parte del haz de tal forma que las autoimágenes no solapan, y orientadas hacia el divisor de haz 6,

-un sistema de fotodetección 4 ubicado en un plano paralelo a una cara del divisor de haz 6 distinta a las dos caras del divisor de haz 6 a las que son paralelas los espejos 7,

-un dispositivo electrónico 5 de procesamiento de datos.

13. Dispositivo optoelectrónico para determinar el grado de colimación de un haz de luz de acuerdo con el método de las reivindicaciones 1-3 que comprende:

-una red de difracción 3,

-un sistema de fotodetección 4 ubicado en un plano inclinado un ángulo 8 con respecto al plano en el que está situada la red de difracción 3,

-un dispositivo electrónico 5 de procesamiento de datos.

14. Dispositivo optoelectrónico según la reivindicación 13 en el que el ángulo 8 es de 45° ± 30°.

15. Dispositivo optoelectrónico según la reivindicación 14 en el que el ángulo 8 es de 45°.

16. Dispositivo optoelectrónico según cualquiera de las reivindicaciones 10-15 en el que el/los sistema/s de fotodetección 4 se ubican en una cámara con distribución bidimensional CMOS o CCD.

17. Dispositivo optoelectrónico según cualquiera de las reivindicaciones 10-16 en el que el dispositivo electrónico 5 se selecciona entre el grupo formado por: una placa electrónica, un microprocesador y un ordenador.

18. Dispositivo optoelectrónico para colimar un haz de luz de acuerdo con el método de las reivindicaciones 4-9 que comprende:

-un elemento colimador 2,

-una red de difracción 3,

-al menos, dos sistemas de fotodetección 4 ubicados a distintas distancias de la red de difracción 3, en planos paralelos al plano en el que está situada la red de difracción 3 y, al menos uno, ubicado fuera del eje óptico,

-un dispositivo electrónico 5 de procesamiento de datos.

19. Dispositivo optoelectrónico para colimar un haz de luz de acuerdo con el método de las reivindicaciones 4-9 que comprende:

-un elemento colimador 2,

-una red de difracción 3,

-un divisor de haz 6 ubicado a continuación de la red de difracción 3 a lo largo del eje óptico del dispositivo,

-dos sistemas de fotodetección 4 ubicados en dos planos distintos, perpendiculares entre sí y paralelos a dos caras del divisor de haz 6,

-un dispositivo electrónico 5 de procesamiento de datos.

20. Dispositivo optoelectrónico para colimar un haz de luz de acuerdo con el método de las reivindicaciones 4-9 que comprende:

-un elemento colimador 2,

-una red de difracción 3,

-un divisor de haz 6 ubicado a continuación de la red de difracción 3 a lo largo del eje óptico del dispositivo,

-dos espejos 7 ubicados en dos planos distintos, perpendiculares entre sí y paralelos a dos caras del divisor de haz 6 y con las caras espejadas orientadas hacia el divisor de haz 6,

-un sistema de fotodetección 4 ubicado en un plano paralelo a una cara del divisor de haz 6 distinta a las dos caras del divisor de haz 6 a las que son paralelas los espejos 7,

-un dispositivo electrónico 5 de procesamiento de datos.

21. Dispositivo optoelectrónico según la reivindicación 20 en el que las superficies espejadas de los dos espejos 7 están cubiertas por sendas máscaras opacas y antirreflectantes que bloquean parte del haz de tal forma que las autoimágenes no solapan.

22. Dispositivo optoelectrónico para colimar un haz de luz de acuerdo con el método de las reivindicaciones 4-9 que comprende:

-un elemento colimador 2,

-una red de difracción 3,

-un sistema de fotodetección 4 ubicado en un plano inclinado un ángulo e con respecto al plano en el que está situada la red de difracción 3,

-un dispositivo electrónico 5 de procesamiento de datos.

23. Dispositivo optoelectrónico según la reivindicación 22 en el que el ángulo () es de 45° ± 30°.

24. Dispositivo optoelectrónico según la reivindicación 23 en el que el ángulo ees de 45°.

25. Dispositivo optoelectrónico según cualquiera de las reivindicaciones 18-24

en el que el/los sistema/s de fotodetección 4 se ubican en una cámara con distribución bidimensional CMOS o CCD.

26. Dispositivo optoelectrónico según cualquiera de las reivindicaciones 18-25

en el que el dispositivo electrónico 5 se selecciona entre el grupo formado 10 por: una placa electrónica, un microprocesador y un ordenador.