ES2302580B1 - Dispositivo y procedimiento para la medida completa del frente de onda en sistemas opticos arbitrarios. - Google Patents

Abstract

Dispositivo y procedimiento para la medida completa del frente de onda en sistemas ópticos arbitrarios.

La presente invención se refiere a un novedoso procedimiento de metrología óptica, y al equipo necesario, para la medida del frente de onda generado por cualquier sistema óptico.

El entorno de aplicación de dicho dispositivo, así como el procedimiento de la invención, es de especial aplicación en el campo de la fabricación de los elementos ópticos, de lentes oftálmicas y los instrumentos ópticos.

El principio de medida se basa en la determinación local de la dirección del frente de onda, de forma simultánea, en conjunto continuo de grupos de posiciones de forma que el grupo completo de posiciones intercepta totalmente el frente de onda que se desea medir lo que permite realizar un muestreo exhaustivo del frente de onda.

Finalmente una vez conocidos los grupos de posiciones en los que se realiza el muestreo del frente de onda se realiza la medida del valor de la dirección del frente de onda para cada posición.

Description

Dispositivo y procedimiento para la medida completa del frente de onda en sistemas ópticos arbitrarios.

La presente invención se refiere a un novedoso procedimiento de metrología óptica para la medida del frente de onda generado por cualquier sistema óptico, en particular para la medida del frente de onda generado por espejos y sistemas ópticos convencionales, y a un equipo de medición para llevar a cabo dicho procedimiento cuyas nuevas características proporcionan numerosas ventajas tal como se detallará en lo sucesivo en la presente memoria.

El procedimiento y el equipo objeto de la presente invención tienen particular aplicación, aunque no exclusivamente, en la medición de los frentes de onda generados por espejos de formas arbitrarias, en particular esféricos, trabajando de forma aislada o cooperativa, o por sistemas ópticos convencionales, como, a título de ejemplo y sin carácter limitativo, los objetivos fotográficos. Dicho procedimiento es realizable empleando cualquier longitud de onda del espectro visible, infrarrojo cercano o ultravioleta cercano, es decir en aquella zona del espectro para la que existan fuentes luminosas y detectores de imagen.

El entorno de aplicación de dicho dispositivo, así como el procedimiento de la presente invención, es de especial aplicación, aunque no exclusiva, en el campo de la fabricación de los elementos ópticos, y en particular en la fabricación de lentes oftálmicas y de los instrumentos ópticos que los contengan. En dichos campos tanto el procedimiento como el equipo de medida de la presente memoria pueden ser de gran utilidad en el control de calidad de ambas superficies de las lentes o en el proceso global de control de calidad. El procedimiento y el dispositivo se refiere únicamente al control de calidad de la forma de las superficies, y de los frentes de onda, no a los microdefectos superficiales que pueden producir luz difundida o difractada pero no introducen cambios en la forma geométrica básica de los elementos.

Tal como se ha mencionado, uno de los principales objetivos consiste en determinar, con precisión, la forma de la superficie de las lentes oftálmicas a partir de la medida de los frentes de onda de entrada y salida en la lente completa o en cada una de sus superficies. Las superficies ópticas de las lentes se comportan como espejos cuando incide un frente de onda sobre las mismas. El procedimiento y equipo de medida, objeto de la presente memoria, proporciona una medida precisa del frente de onda generado por la superficie que se desea medir con precisión micrométrica y por lo tanto, conocido el frente de onda de la luz antes de incidir sobre la lente y el frente de onda después de reflejarse la luz sobre la superficie de la lente, se puede obtener la forma de la superficie de la lente.

El hecho de obtener la caracterización precisa del frente de onda abre la posibilidad de caracterizar, y en consecuencia fabricar, sistemas ópticos de calidad. Sistemas ópticos que incluyen desde objetivos fotográficos estándar hasta los espejos primarios de los telescopios astronómicos.

Han existido varios intentos para proporcionar una medida del frente de onda generado, o modificado, por los sistemas ópticos pero hasta la fecha no han podido combinar, de forma eficiente, el tiempo de procesado y la precisión de la medida para que, tanto los métodos como los equipos de medida sean eficientes. Los sistemas de gran precisión son extremadamente lentos, y los inhabilitan para cualquier control de calidad en la línea de producción, mientras que los sistemas de gran rapidez sólo son capaces de proporcionar la información del frente de onda, y en consecuencia de la calidad óptica que presenta el sistema, en escasos puntos de control no permitiendo una descripción completa del frente de onda. Finalmente también existen sistemas de medida de frentes de onda de alta precisión y rapidez pero requieren de una superficie, o frente de onda, de referencia conocido, estable y particularizado para la superficie, o frente que se desea medir.

La presente invención propone un procedimiento de metrología óptica para la determinación genérica de un frente de onda, es decir sin necesidad de generar un frente de onda conocido y particularizado, a priori, para la superficie o frente que se quiere medir. Este procedimiento presenta particular aplicación para la medida de frentes de onda generados por espejos o sistemas ópticos convencionales, si bien la invención no queda en absoluto limitada a este ámbito de aplicación.

El procedimiento de la presente invención se refiere a la medida del frente de onda generado por un sistema óptico arbitrario, y, en particular, a la del frente de onda generado por un espejo esférico o por un sistema óptico convencional como, por ejemplo los objetivos fotográficos.

El principio de medida se basa en la determinación local y simultánea de la dirección del frente de onda en un conjunto de zonas; dichas zonas se caracterizan por: a) ser rectángulos b) la dimensión mayor del rectángulo intercepta todo el frente de onda c) la separación entre zonas esta comprendida entre una décima parte y diez veces la dimensión menor del rectángulo d) las zonas son paralelas entre ellas.

El conjunto de zonas en las que se realiza la medida del frente de onda lo denominaremos grupo de medida. El grupo de medida se desplazará en la dimensión menor de los rectángulos hasta obtener un conjunto de registros que cubran todo el frente de onda.

Finalmente una vez conocidos los valores del frente de onda para todas los grupos de medida se genera un mapa topográfico del frente de onda que se ajusta a la base polinómica deseada, ni el tipo de polinomio ni el ajuste realzado son motivo de la presente patente.

Puesto que la medida de la pendiente local se realiza en cada una de las zonas rectangulares no hay discontinuidad de la medida de la pendiente en toda la zona, es decir no se presentan puntos del frente de onda, interceptados por cada una de las zonas rectangulares, en las que no se muestre el frente de onda, ahora se puede realizar el muestreo del frente de onda dentro de cada rectángulo con la densidad que permita el elemento sensor, que de describirá más adelante. Es importante mencionar que al realizar este muestreo dentro de cada rectángulo se sabe siempre cual es el rectángulo muestreo y que punto de muestreo es vecino de que otro punto de muestreo.

La medida de la dirección del frente de onda que se detalla en el procedimiento de medida objeto de la presente memoria se realiza mediante el registro de la iluminación producida por cada porción del frente de onda seleccionada sobre un detector de cantidad de luz discreto (típicamente, pero no excluyente, un detector tipo CCD o tipo CMOS monocromático). La resolución en el valor de las direcciones de medida está únicamente limitada por la sensibilidad, frente a la cantidad de luz, del detector empleado y de su tamaño del píxel.

Hasta este momento hemos presentado como se registra la dirección de las pendientes del frente de onda dentro de cada zona de zona, o grupo, de medida. Sin embargo aún persiste una indeterminación en el valor concreto del punto que se esta muestreando sobre el frente de onda. Las zonas rectangulares identifican de forma unívoca una coordenada de posición sobre el frente pero falta otra coordenada para identificar, dicha identificación se realiza mediante otro grupo de registros obtenidos girando todo el grupo alrededor del eje óptico de la medida 90 grados, el alcance de la presente invención no se limita a una posición exactamente ortogonal entre los dos grupos de medida sino que se extiende entre los 45 y los 135 grados de orientación entre los dos grupos de medida.

El registro de la cantidad de luz contenida en cada dirección de avance del frente de onda se realiza mediante el auxilio de una lente cilíndrica, punto claramente distintivo frente a otras técnicas de medida. Dicha lente cilíndrica añade un gran valor al sistema de medida ya que permite realizar dos funciones simultáneas: a) integra la cantidad de luz que incide sobre el propio cilindro y b) proporciona continuidad entre las medidas de las pendientes locales del frente de onda en cada una de las zonas de medida.

Hay dos soluciones concretas para esta lente cilíndrica, o una única lente cilíndrica colocada en la dirección del eje mayor de los rectángulos que limitan cada una de las zonas, o un conjunto de lentes cilíndricas individuales que actúan como limitadores de las zonas.

La solución de la lente cilíndrica es especialmente útil cuando la densidad de las zonas de medida, tamaño de los rectángulos es alta, del orden de las décimas de milímetro, la solución del conjunto de lentes cilíndricas es optima a partir de una dimensión menor de la zona de 2 milímetros y hasta los 5 milímetros, a partir de 5 milímetros deja de tener sentido realizar un muestreo de la superficie, o del frente de onda.

En la figura 1 se presenta un esquema del procedimiento de medida para un frente de onda emergente de un sistema óptico tradicional. El frente de onda incidente ha sido generado mediante un sistema colimador estándar, que en la figura se indica con el número 1, dicho sistema no es objeto de la presente patente. La dirección de avance de la luz se ha señalado con una fecha, parte de un punto situado sobre el foco objeto del colimador y después de pasar por la óptica del colimador, el sistema óptico del que se quiere determinar el frente de onda a su salida, el sistema de lentes cilíndricas, objeto de esta patente, y una óptica Standard, llega sobre el elemento sensor, en nuestro caso una cámara CCD comercial.

En la figura 1 se indica con el número 2, el sistema óptico del que deseamos conocer el frente de onda emergente y con el número 3, el conjunto de lentes cilíndricas que permiten separar en zonas el frente de onda, y que es objeto de la presente patente. Finalmente la luz llega al detector indicado por el número 5 después de pasar un sistema óptico convencional, indicado con el número 4, que permite recoger la luz sobre el sensor CCD.

En la figura 1 se aprecia el dispositivo de lentes cilíndricas con las lentes perpendiculares al dibujo; una representación más completa de las mismas se ha realizado más adelante en la figura 2.

El procedimiento de medida con el dispositivo explicado es el siguiente. En primer lugar se realiza un registro de las distribuciones de luz sobre la cámara CCD sin la presencia del sistema óptico del que se quiere obtener la información del frente de onda. La presencia de las lentes cilíndricas hace que el registro sea un conjunto de franjas claras y oscuras en la dirección del eje de las lentes cilíndricas. Dicha medida se emplea para poder determinar el frente de onda que incide sobre el sistema y tener una referencia posterior.

A continuación se introduce el sistema que se desea medir en el sistema y se procede a registrar los nuevos patrones de franjas, claras y oscuras en la cámara CCD. Tal como se detallará con mayor cuidado este registro se realiza varias veces introduciendo pequeños desplazamientos del conjunto de lentes cilíndricas para que la zona central de las lentes, un 10% de su anchura cada vez, cubra la totalidad del frente de onda. Asimismo, se realizará la misma operación con el conjunto de lentes cilíndricas rotado 90 grados respecto al eje, es decir se realizará el registro sin el sistema óptico del que se desea medir el frente de onda a la salida y el conjunto de registros con el sistema óptico incorporado.

A partir de esta colección de registros se obtiene el frente de onda a la salida con las ventajas descritas al principio de la descripción de la invención.

Un esquema de este principio de funcionamiento se muestra en la figura 3, separada en una figura 3a y otra 3b. En la figura 3a el eje de las lentes cilíndricas es normal al plano del papel, mientras que en la figura 3b el eje de las lentes cilíndricas está contenido en el papel. En las dos orientaciones de las microlentes se indican los registros que se obtienen en ambos casos, identificados con el número 8. A partir de estos dos conjuntos de registros se genera el frente de onda de todo el sistema. La generación del frente de onda a partir de los registros de pendientes no es objeto de la patente.

Veamos con más detalle el funcionamiento de las lentes cilíndricas, para ello en la figura 2 se muestran las lentes cilíndricas aisladas y en proyección isométrica. Con el número 6 se ha indicado el eje óptico del sistema, que coincide con el eje óptico indicado en la figura 1. Alrededor de este eje se giran las lentes cilíndricas 90 grados para realizar las dos series de medidas del frente de onda. En cada una de estas series se desplaza en la dirección indicada por 7 el conjunto de lentes cilíndricas hasta que su zona central, el 10% de su anchura) cubre la totalidad del frente de onda que se desea medir. La dirección indicada por 7 siempre es perpendicular al eje de las lentes cilíndricas.

El hecho de no utilizar lentes individuales para realizar esta medida, como realizan otros dispositivos y principios de medida que hay en el mercado, confiere a este procedimiento una capacidad de medida superior ya que evita, en todo momento, la pérdida de continuidad en la medida de pendientes, que incapacita a los dispositivos actuales para medidas de frentes de onda con grandes variaciones de pendiente.

El procedimiento de medida del frente de onda que se describe en la presente memoria contempla el hecho de que el registro de direcciones del frente de onda se realice, como mínimo, para dos orientaciones del conjunto de lentes cilíndricas. Estas orientaciones han de ser suficientes para que entre ambas se pueda realizar una identificación unívoca de la posición en la que se registra el conjunto de direcciones del frente de onda, en nuestro ejemplo 10 registros en cada orientación de las lentes cilíndricas.

El siguiente paso del procedimiento de medida del frente de onda descrito en la presente memoria, consiste en la obtención de todo el conjunto de direcciones del frente de onda, para ello una vez se han obtenido los registros de direcciones en, como mínimo, un par de orientaciones del conjunto de lentes cilíndricas se combinan los grupos de pendientes registrados en ambas orientaciones de las lentes cilíndricas de forma que a cada dirección se le asigna una posición, y sólo una, de todo el conjunto de posiciones que han seleccionado las lentes cilíndricas durante los diferentes registros, esta asignación, única, de un valor medido de la dirección con una única posición del frente de onda se realiza cruzando los valores de dirección medidos entre ambos grupos de registros, los realizados en una orientación de las lentes cilíndricas y los realizados en, como mínimo, otra orientación de las lentes cilíndricas. El cruce de direcciones se resuelve cuando se halla un mismo valor de dirección realizado en los registros, la posición de la lente cilíndrica que ha permitido realizar el registro concreto de la dirección es la que proporciona el valor de posición en la que se asigna la dirección del frente de onda.

El procedimiento descrito es asimismo aplicable cuando el frente de onda que se desea medir proviene de un espejo, en la figura 4 puede verse la modificación que debe realizarse para poder obtener los registros de direcciones cuando en lugar de un sistema por transmisión (lentes) se desea medir un sistema por reflexión (espejos), en dicho sistema el colimador de luz no es necesario empleándose el propio espejo que se desea medir para realizar esta función. De nuevo se ha dividido la Figura 4 en una Figura 4a y una Figura 4b, que se diferencian únicamente en la orientación del eje de las lentes cilíndricas. Con el número 3 se indica la posición de las lentes cilíndricas en las dos orientaciones, y con el número 8 los registros de pendientes que se obtienen en los dos casos: eje de las lentes cilíndricas perpendicular al papel y eje de las lentes cilíndricas contenido en el papel. Finalmente con el número 11 aparece indicada la posición de la fuente luminosa, ya incorporada en el colimador en el caso de elementos transmisores. Para los espejos, al ser elementos reflectores en los que no se requiere colimador, debe añadirse explícitamente la fuente de luz en el montaje experimental. Las dimensiones ópticas de esta fuente son de pocas micras (entre 10 y 100 micras), una dimensión de fuente común a la mayoría de las técnicas deflectométricas. Con el número 9 se indica la posición del espejo del que medimos el frente de onda a la salida. Es necesario, finalmente, introducir un separador de haz, indicado con el número 10, para dirigir el haz luminoso de la fuente hacia el espejo, ya que la dirección en la que incide la luz en el espejo es la misma con la que se refleja. El caso de los espejos es especialmente interesante ya que el frente de onda a la salida del mismo es igual a la forma de la superficie afectada por un factor de escala de 2x, es decir que la medida del frente de onda proporciona la medida de la superficie del espejo de forma casi inmediata.

El equipo capaz de llevar a cabo el procedimiento objeto de la invención se halla descrito en la figura 5, en dicha figura se presenta una vista isométrica del conjunto de sujeción de las lentes cilíndricas, no se ha incluido el colimador ni el sistema de registro de las pendientes locales del frente de onda, cámara CCD o equivalente, ya que ni él uno ni él otro son motivo de la patente.

En la figura 5, se indica con el número 12 la etapa de desplazamiento de las lentes cilíndricas cuando se hallan colocadas con el eje vertical, el número 13 indica el sistema de desplazamiento, en el ejemplo un micrómetro manual pero reemplazable por un motor de pasos o un motor de corriente continua, trabajando en modo de lazo abierto o lazo cerrado. En todos los casos lo único relevante es que el posicionado de las lentes de cilíndricas sea correcto (mejor que 1/100 de la dimensión de la lente), todos los sistemas propuestos proporcionan esta resolución. En la misma figura se indican con los números 14 y 15 la etapa de desplazamiento y el sistema de desplazamiento que se emplea para posicionar las lentes cilíndricas cuando su eje se halla colocado horizontalmente, al igual que en el caso anterior lo único relevante es que el posicionado sea correcto (1/100 de la dimensión de la lente). En la misma figura se indica con los números 16 y 17 la etapa de desplazamiento y el sistema de desplazamiento de las lentes a lo largo del eje óptico, el eje óptico lo determina el eje del colimador y el de la cámara CCD., dicho desplazamiento sirve para elegir el plano en el que se medirá el frente de onda. Finalmente en la misma figura con el número 18 aparece indicado el soporte de las lentes cilíndricas, dichas lentes se puede orientar con el su eje en posición vertical u horizontal empleando el actuador numerado como 19, al igual que todos los demás actuadores en la figura aparecen como cabezales micrométricos pero pueden sustituirse, sin ninguna pérdida de generalidad por motores paso a paso o motores de corriente continua.

El equipo objeto de la presente invención y capaz de aplicar el procedimiento descrito en la presente memoria consta, además del conjunto opto-mecánico descrito en la figura 5, por un colimador de la fuente de luz, un sistema detector de pendientes locales (cámara CCD, o equivalente, con el objetivo enfocado a infinito),y un conjunto electrónico de control, no representado en ninguna de las figuras anteriores que realiza el control de todas las motorizaciones descritas y sincroniza sus movimientos con los registros de las diferentes direcciones del frente de onda que se mide.

Este equipo electrónico, a su vez, realiza las tareas de control de flujo de información con un ordenador personal que es el encargado de aplicar el procedimiento descrito para obtener la medida del frente de onda a partir del conjunto de registros de direcciones.

Claims (11)

1. Procedimiento de metrología óptica para la medida del frente de onda caracterizado por utilizar un conjunto de lentes cilíndricas que cubren la totalidad del frente que se desea medir. El sistema es aplicable a un frente de onda arbitrario, en particular es aplicable para la medida del frente de onda generado por espejos de forma arbitraria y en particular para espejos de telescopios. El procedimiento utiliza un conjunto de lentes cilíndricas que cubren totalmente el frente de onda que se desea medir e incluye, como mínimo, un sistema de desplazamiento de las lentes cilíndricas y una cámara CCD o similar para obtener los registros de direcciones del frente de onda. Los registros obtenidos por la cámara, como mínimo dos, se combinan adecuadamente para obtener una colección completa de direcciones del frente de onda que y a partir de ellas el frente de onda que se desea medir.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el espécimen medido es una lente esférica, o asférica, y se emplea un sistema colimador auxiliar.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el espécimen medido es un espejo, se emplea una lámina semitransparente y no hay presente un sistema colimador auxiliar.

4. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el espécimen es la cara posterior de una lente oftálmica y no hay presente un sistema colimador auxiliar.

5. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el espécimen es la cara anterior de una lente oftálmica y se emplea un sistema óptico auxiliar para adecuar las direcciones del frente de onda generadas por la superficie antes de ser medidas según el procedimiento descrito.

6. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado en que se adquiere una serie de registros de direcciones, mayor de dos y menor de once, para obtener todo el conjunto de direcciones del frente de
onda.

7. Equipo para la medida del frente de onda de un sistema óptico, en particular para espejos de telescopio, de acuerdo con el procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por incluir una haz de luz colimado, una unidad de medida de posición y de dirección mediante micrómetro o control motorizado, y un ordenador y el software que realiza los cálculos.

8. Equipo según la reivindicación 7, para la medida de elementos reflectores, que incluye una lámina semitransparente que desvía la luz procedente de una fuente puntual para el testeo de dichos elementos.

9. Equipo según la reivindicación 7, caracterizado porque el control de la posición de las lentes cilíndricas del equipo está controlado por un ordenador que forma parte de dichos medios de procesamiento informático.

10. Equipo según la reivindicación 7, caracterizado porque dicha o dichas cámaras son cámaras CMOS.

11. Equipo según la reivindicación 7, caracterizado porque incorpora un soporte adecuado para la medida de la forma de la superficie, u orientación, de espejos deformables.