lineas de investigación en microoptica y sensores de frente de ondas

LINEAS DE INVESTIGACIÓN EN MICROOPTICA Y SENSORES DE FRENTE DE
ONDAS
Eva Acosta, Jorge Ares, Justo Arines, Salvador Bará, Ramón Flores, Marcos Soto, Daniel
Vazquez
Área de Optica, Departamento de Física Aplicada, Facultade de Física, Universidade de Santiago
de Compostela, 15706 Santiago de Compostela, Galicia
1.- Introducción
En esta comunicación presentamos un resumen de las líneas de investigación en las que
el grupo ha ido avanzando desde la última Reunión Nacional de Óptica (Medina del Campo,
2000).
Las investigaciones realizadas se pueden esquematizar en tres bloques básicos: Sensores
de frente de ondas y sus aplicaciones, estudios sobre medios con gradiente de índice y aplicación
de tomografía óptica para caracterización de medios inhomogéneos.
Resultados concretos obtenidos por distintos miembros del grupo se presentan en
comunicaciones adicionales.
2.- Sensores de frente de ondas, medida y compensación de aberraciones
Las láminas de fase compensadoras de aberraciones oculares fabricadas por fotoescultura
analógica en fotorresina [1,2] se han aplicado con éxito, en colaboración con el SERI de Boston
y el IODV de Madrid, a oftalmoscopios de barrido láser (SLO) a fin de aumentar el contraste de
imágenes de fondo de ojo [3]. Hemos propuesto estrategias para el diseño de elementos
compensadores de aberraciones oculares en campo amplio [4], con un formalismo que puede ser
aplicado -con las modificaciones correspondientes- al diseño de elementos compensadores de
aberraciones cromáticas y/o dependientes de la acomodación, entre otras posibilidades..
En lo que afecta a sensado de frentes de onda, en particular con sensores de gradiente tipo
Hartmann o Hartmann-Shack, se ha estudiando la influencia del procesado por umbralización
sobre el cálculo de centroides para distribuciones focales de irradiancia afectadas por ruido
aditivo gausiano [5]. Su modelización ha permitido diseñar estrategias de umbralización óptima
en el sentido de mínima varianza para el centroide que se determina [6]. Hemos desarrollado un
método numérico general para el cálculo de los reconstructores de fase de mínima varianza en
presencia de aberraciones con estadística conocida, estudiando su aplicación particular a frentes
degradados por turbulencia atmosférica [7]. Se han realizado trabajos para estudiar la influencia
de los diferentes filtros de deconvolución en la restauración de imágenes degradadas por
aberraciones aleatorias [8] y, finalmente, se ha propuesto un nuevo método para el cofasado de
espejos segmentados, basado en la medida del pistón relativo por interferometría de
desplazamiento lateral [9].
Por otra parte, en los estudios realizados en sensores de curvatura y basados en la
ecuación de transporte de intensidad se ha avanzado en la cuantificación de su rango dinámico,
lo que permite analizar la viabilidad de su utilización en distintas aplicaciones, desde óptica
adaptativa hasta caracterización de haces láser o de componentes ópticos.
3.- Componentes ópticos inhomogéneos
Se ha desarrollado un método para diseñar axicones de gradiente de índice con
simetría esférica. El método permite diseñar elementos que a partir de una
distribución
de
intensidad
a
la
entrada
producen
una
distribución
de
intensidad predeterminada en el eje óptico. Habiendo una gran flexibilidad a
la hora de fijar dicha intensidad en eje. El método esta basado en la óptica
geométrica, por lo que también se incluyen herramientas para analizar el comportamiento de los
axicones usando óptica ondulatoria [10]. También se ha estudiado un nuevo elemento de
gradiente de índice con simetría esférica capaz de transformar un campo óptico procedente de
una fuente puntual con un patrón de radiación predeterminado en una distribución de irradiancia
arbitraria en un plano dado como por ejemplo irradiancia constante, gaussiana, triangular y
anular [11,12].
4.- Tomografía Optica
Basándose conceptos de tomografía se han desarrollado algoritmos para recuperar el
índice de refracción de medios con simetría esférica y cilíndrica que permitieron recuperar el
índice de refracción de cristalinos oculares y componentes microópticos sin necesidad de que
estén inmersos en líquidos con índice de refracción igual al superficial del elemento bajo test
[13].
También se están desarrollando algoritmos para recuperación de distribuciones 3-D de
índice de refracción. Se han obtenido resultados aplicables a la recuperación in vitro de
cristalinos [14] y se esta estudiando la aplicabilidad a medios turbulentos tales como la
atmósfera.
Bibliografía
[1] R. Navarro, E. Moreno-Barriuso, S. Bará, T. Mancebo, "Phase plates for wave-aberration
compensation in the human eye", Opt. Lett. 25, 236-238 (2000).
[2]. S. Bará, T. Mancebo, E. Moreno-Barriuso, "Positioning tolerances for phase plates
compensating aberrations of the human eye", Appl. Opt. 39, 3413-3420 (2000)
[3] S. Bará, R. Navarro, "Wide-field compensation of monochromatic eye aberrations:
expected performance and design trade-offs", J. Opt. Soc. Am. A 20, 1-10 (2003)
[4] S. A. Burns, S. Marcos, A. E. Elsner, Salvador Bara, "Contrast improvement for Confocal
Retinal Imaging Using Phase Correcting Plates", Opt. Lett. 27, 400-402 (2002)
[5] Jorge Ares, Justo Arines, "Effective noise in thresholded intensity distribution. Influence on
centroid statistics", Opt. Lett. 26, 1831-1833 (2001)
[6] Justo Arines, Jorge Ares, "Minimum variance centroid thresholding", Opt. Lett. 27 497-499
(2002)
[7] V. V. Voitsekhovich, S. Bará, J. Mayor, "Calculation of minimum-variance estimators for
Hartmann sensing using random wave vector simulations", J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 3, 120-125
(2001)
[8] J. Arines, S. Bará, "Significance of the recovery filter in deconvolution from wavefront
sensing", Opt. Engineer. 39, 2789-2796 (2000).
[9] V.V. Voitsekhovich, S. Bara, V.G. Orlov, "Co-phasing of segmented telescopes: a new
approach to piston measurements", Astronomy and Astrophysics 382, 746-751 (2002).
[10] J.R. Flores, "General method to design spherically symmetric GRIN axicons",
J. Mod. Op. 48, 493-506 (2001).
[11] J.R. Flores, "Acopladores de Gradiente de Índice com Simetria Esférica", Rev.
de Fís. Apl. e Inst., 14, 45-51, (1999).
[12] J.R. Flores, "Spherically symmetric GRIN amplitude formers", J. Mod. Opt. 48,
1225-1238, (2001).
[13] E. Acosta, R. Flores, D. Vázquez, S. Ríos, L. Garner and G. Smith, “Tomographic meted for
measurement of the refractive index profile of optical fibre preforms and rod GRIN lenses”,
Jpn.J.Appl.Phys. 41, 4821-4824 (2002)
[14] E. Acosta, D. Vázquez, G. Smith and L.Garner , “A comparison and analysis of various
techniques for determining the gradient index distribution of non-symmetric crystalline lenses.
Conference on Astigmatism, Aberrations and Vision. Mopane 2003
Agradecimientos:
Estos trabajos han sido realizados en el marco de los proyectos:
TIC98-0925-C02-02 "Imagen de alta resolución espacial: aplicación a la imagen del fondo de
ojo", DPI2002-04370-C02-01 "Desarrollo de componentes y sistemas para la medida y
corrección de aberraciones en el ojo humano", PGDIDT00PXI20601PR “Determinación y
modelado de incides de refracción 3-D mediante tomografía optica: Estudio de cristalinos
oculares in vitro”, AYA 2000-1565-C02-02 “Simulación y compensación de las distorsiones
de la atmosfera: sensores de curvatura y tomografía optica” y la infraestructura PR405 A
2002/39-9.