La tecnología sigue avanzando, al igual que los sensores de frente de onda. Una mejora notable ha sido la densidad de muestreo del frente de onda. Algunos ejemplos son los sensores HASO LIFT de Imagine Optics y el sensor QWLSI de Phasics. Cada uno de ellos utiliza una técnica diferente para lograr una mayor densidad de muestreo.
La técnica LIFT (abreviatura de Linearized Focal-plane Technique, técnica de plano focal linealizado) es una versión moderna de un método que se utilizaba para mantener el enfoque en los reproductores de CD y DVD. En aquella antigua aplicación, una lente cilíndrica introducía astigmatismo en el eje del haz reflejado. Cuando el disco estaba enfocado, un detector cuadrante mostraba señales iguales en dos celdas opuestas. Si estaba desenfocado, la diferencia de señales (incluido su signo) podía utilizarse para la retroalimentación.
Con un espíritu similar, la técnica LIFT añade astigmatismo en el eje, pero muestrea el punto focal con una resolución mucho mayor. Esto le permite resolver muchos más términos de frente de onda que la simple curvatura.
En cambio, el enfoque QWLSI de Phasics utiliza la interferencia para crear un patrón de franjas bidimensional. Con el análisis de franjas de Fourier, extrae dos gradientes de frente de onda, que luego se integran para reconstruir el frente de onda.
Interferometría, precisión y resolución
Aunque parezca que LIFT y QWLSI no tienen nada en común, en realidad sí lo tienen. Ninguno de los dos puede medir la desviación absoluta en el sistema de espejos deformables que se muestra a continuación. ¿Importa eso? Depende del objetivo. Lo que ambos métodos pueden hacer bastante bien es medir la forma del espejo en función de la señal, algo que suele ser más que suficiente. Sin embargo, en el ejemplo que se muestra a continuación, en el que no se ve todo el espejo, no tenemos suerte.
El término pistón -a menudo ignorado- no es producto de la imaginación de nadie. En un interferómetro bien diseñado, puede ser una baza fiable para muchas aplicaciones. Aunque este espejo deformable pueda parecer esotérico, el concepto es bastante útil, por ejemplo, para calibrar un modulador de fase de cristal líquido. El caso óptico es similar: la apertura transparente no está ligada a una fase fija, y los campos de franjas reducen la eficacia de confiar en el valor integrado de un gradiente de fase.
Precisión y grados de libertad abiertos
En primer lugar, ¿qué quiero decir con grados de libertad abiertos? Se trata de grados de libertad que contribuyen directamente al error de medición. Se pueden consultar en puede calibrarse -y normalmente se hace-, sino que representan sensibilidades lineales. Un ejemplo clásico es el desplazamiento de las microlentes en un conjunto de microlentes. Si no se calibra correctamente, este desplazamiento hace que los sensores de Shack-Hartmann sean prácticamente inútiles para realizar mediciones precisas del frente de onda.
¿Son “abiertas” las sensibilidades de los píxeles de las cámaras? En el caso de los sensores Shack-Hartmann, las sensibilidades lineales de los detectores parecen abiertas, ya que remodelan individualmente las intensidades registradas. Sin embargo, suponiendo que esas sensibilidades sean lineales y constantes, se anulan en la calibración ya realizada para los centros puntuales.
¿Son necesariamente precisos los interferómetros? Obviamente, no. Hay muchos factores que contribuyen al error total. Aun así, en comparación con la mayoría de las soluciones de detección de frente de onda, los diseñadores de sistemas ópticos tienen cierto grado de control. En Senslogic, donde desarrollamos nuestro propio sensor Shack-Hartmann, comprendemos el valor de calibrar estos dispositivos y el esfuerzo que supone hacerlo correctamente. Dicho esto, cuando se trata de la máxima precisión, no hay nada mejor que la metrología que puede remontarse a un único elemento de precisión.
Un ejemplo perfecto es el interferómetro de cambio de fase, o quizás debería decir a interferómetro de cambio de fase, para subrayar que el cambio de fase es una técnica superpuesta a una configuración específica del interferómetro.
Cambio de fase
Hagamos un breve repaso del método de desplazamiento de fase, y qué tiene de especial. Prácticamente cualquier configuración interferométrica puede aumentarse mediante el desplazamiento de fase, lo que significa que uno de los dos caminos que puede tomar la luz añade otra, y bien conocida distancia de sub-longitud de onda con el fin de convertir el análisis de franjas en una simple ecuación para la fase relativa entre los caminos.
El desplazamiento de fase no es en absoluto una tecnología nueva, y en la literatura del pasado se encuentran métodos bastante elaborados que implican muchos pasos de fase con el fin de superar las deficiencias de la tecnología predominante disponible en ese momento. Sin embargo, el paso de fase de 90°, introducido desde el principio, ofrece tanta cancelación de errores incorporada que, durante al menos dos décadas, no hubo razón para utilizar otra cosa para analizar una configuración de interferencia de dos haces.
La expresión resultante para la fase,
donde el índice denota el número de pasos de 90° que hemos hecho con nuestro actuador. A y B son las amplitudes reales de los dos haces interferentes, reales porque hemos trasladado la diferencia de fase entre ellos a la fase. Aún más importante es observar que, cuando las intensidades se registran en una cámara, cada píxel nos da uno de los pares de expresiones anteriores para resolver, donde sólo tenemos que dividir,
La expresión anterior está ahora libre tanto de A como de B. Esto es en realidad un problema mayor que puede ser inmediatamente obvio porque tanto A como B dependen de la sensibilidad de los píxeles de la cámara que resulta que los registra en la posición dada, y ahora han desaparecido. Lo que tampoco mencionamos es que cada una de las intensidades puede haber sido grabada en un laboratorio donde hay una fuente de luz de fondo. Esta contribución desapareció en la diferencia entre intensidades tanto en el numerador como en el denominador.
El desfase de 90° se aplica a veces como una medición 4+1, en la que se mide el desfase (aparentemente) redundante de 360&\deg;. Por rudimentario que parezca, el enfoque 4+1 suprime las no linealidades de segundo e incluso tercer orden del detector y errores de escala del actuador. El módulo PSI en WaveMe ofrece tanto el método de las 4 imágenes como el de las (4+1) imágenes, que, si no para otra cosa, pueden servirnos para comprobar que las suposiciones que podamos tener respecto a nuestra configuración son correctas.
Con el cambio de fase, lo primero que necesitamos es asegurarnos de que las diferencias entre las intensidades capturadas sólo reflejan el efecto de nuestro actuador, y como las imágenes se graban en momentos diferentes, cualquier variación temporal aparecerá como un error. Existen métodos que capturan las cuatro fases simultáneamente, pero esto requiere una cámara bastante diferente y el análisis de errores también tendrá un aspecto bastante diferente. James C. Wyant es un defensor muy respetado de este enfoque.
Resumen
Con esta charla técnica, quería aclarar algunos aspectos que hay que tener en cuenta a la hora de elegir entre utilizar un sensor Shack-Hartmann o un interferómetro. Si opta por el primero, existen productos de alta resolución en el mercado. Si la resolución no es lo que buscas, no hay mucho que puedas hacer, salvo buscar otra solución. Lo mismo ocurre si necesita el término pistón, o la media de la diferencia de longitud de trayectoria. Tu elección es entonces el interferómetro de cambio de fase. Si no estás contento con la resolución, elige otra cámara. Usted tiene el control. Esto no cambia nada en la aplicación. No hay nueva calibración. Sólo por poner un ejemplo de mi propio pasado, en el que utilicé lo que tenía en la mesa en ese momento, que era una cámara pensada para vídeo (no es que sea una diferencia tan grande), pero la cuestión es que, con tanta compensación incorporada, no tienes que preocuparte mucho más allá de tu propia configuración óptica.
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