ES2302580B1 - Dispositivo y procedimiento para la medida completa del frente de onda en sistemas opticos arbitrarios. - Google Patents
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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.
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.
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ES200501865A ES2302580B1 (es) | 2005-07-26 | 2005-07-26 | Dispositivo y procedimiento para la medida completa del frente de onda en sistemas opticos arbitrarios. |
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ES2302580A1 ES2302580A1 (es) | 2008-07-16 |
ES2302580B1 true ES2302580B1 (es) | 2009-05-20 |
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---|---|---|---|---|
ES2335637B1 (es) * | 2008-04-08 | 2011-05-27 | Universitat Politècnica De Catalunya | Dispositivo optico y procedimiento para la reconstruccion y la compensacion del frente de ondas proveniente de un elemento optico complejo. |
Family Cites Families (1)
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2005
- 2005-07-26 ES ES200501865A patent/ES2302580B1/es active Active
Non-Patent Citations (2)
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NEAL, D., ALFORD, W., GRUETZNER, J. & WARREN, M.: "{}Amplitude nd\\ phase beam characterization using a two-dimensional wavefront sensor"{}. Proceedings of the SPIE - The International Society for Optical Engineering, USA, 1996, Vol. 2.870, páginas 72-82. * |
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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