Presentación de Senslogic y WaveMe: acortando distancias entre el diseño óptico y la realidad

Esta charla técnica trata sobre Senslogic y la filosofía que hay detrás. Después de más de dos décadas en el mundo de la óptica, hay algo que llama la atención, y es que existe una desconexión entre la teoría y la práctica. Quizá el chiste de que "en teoría funciona" tenga algún mérito. Evidentemente, no es así en todas partes, pero sí con bastante frecuencia.

Disponemos de herramientas de diseño con una buena capacidad de predicción, la teoría de la difracción funciona, pero con demasiada frecuencia se queda ahí, y el sistema se alinea utilizando aperturas pequeñas y tarjetas de visita. Una vez que todos los elementos están en su sitio, el sistema ve la "primera luz" y comienza la lenta marcha hacia el rendimiento esperado, o más bien debería decir "deseado", porque cuando las herramientas son aperturas milimétricas y tarjetas de visita, alcanzar el rendimiento objetivo se convierte en algo totalmente inesperado. De ahí que lo que sigue sea, si nos permitimos un eufemismo, retocar.

Suficientes retoques

¿Por qué retocamos? Bueno, obviamente porque queremos un resultado diferente. A veces incluso retocamos porque la perfección está fuera de nuestro alcance y nos vemos obligados a elegir el menor de dos males. Pero si hay un momento y un lugar para retocar, ese momento es durante la fase de diseño. Si no podemos tenerlo todo, es aquí donde debemos tomar la decisión. No en la planta de producción, no por alguien sin la información necesaria para tomar esa decisión, y menos después de haber invertido todos esos recursos en llegar a esa fase del producto.

Como ya se ha dicho, el poder de predicción de las herramientas de que disponemos es realmente bueno. Realmente no hay excusa para desconocer cómo funciona un sistema óptico. Cuando sea necesario, debemos incorporar técnicas como el muestreo de Montecarlo o de hipercubos latinos para obtener una visión completa de todas las variables que afectan al rendimiento del sistema. Estas técnicas nos permiten abarcar un conjunto mucho mayor de variables, lo que garantiza que las decisiones de diseño se basen en datos y no en suposiciones.

Cuando se trata de hacer ajustes, es aquí donde realmente hay que hacerlo. Es en esta fase -en la que todas las variables son visibles y se pueden hacer compensaciones basadas en datos- cuando deben hacerse los ajustes.

Construir el diseño diseñando el proceso de montaje

Permítanme una breve introducción al contexto. El tenis tiene un curioso sistema de puntuación, basado en la idea de un reloj y en un círculo completo. En esta charla técnica, estamos en el '30', bien encaminados, pero aún no en el punto de partido. Sin embargo, es un punto muy importante.

Cada componente de un sistema óptico comienza como un elemento discreto, esperando encontrar su lugar preciso dentro del ensamblaje final, y si somos responsables de encontrarlo, necesitamos herramientas. WaveMe Toolbox, diseñada específicamente para garantizar la precisión en la construcción de sistemas ópticos con elementos discretos.

BeamNotes

La más sencilla de las herramientas que ofrece WaveMe es BeamNotes. Sin embargo, es probablemente la que mejor capta el espíritu de esta charla técnica. Las mediciones que proporciona no son sencillas, sino deliberadamente directas, y se centran en una medición básica del centroide mejorada con unas cuantas herramientas clave para recordar posiciones, detectar fácilmente que el centrado se ajusta a las tolerancias y pasar notas entre los equipos de diseño y montaje.

BeamNotes nos ayuda a conseguir una alineación óptica precisa a lo largo de un rayo láser, incluso cuando la configuración mecánica no es la ideal. Es un elemento crucial en el flujo de trabajo de montaje, ya que permite una comunicación fluida y una alineación precisa para garantizar que se dispone de la información adecuada exactamente cuando se necesita.

Shack-Hartmann

Lo entiendo, la herramienta BeamNotes no es impresionante. Sin embargo, la herramienta Shack-Hartmann sí lo es. Puede que ya utilices un sensor SHS (Shack-Hartmann Sensor). ¿Cuánto tiempo se tarda en obtener un resultado? ¿Tiene que alinear el sensor? Alinear un sensor dentro de un sistema que todavía se está ajustando crea un dilema: ¿cómo puede alinear una parte de la configuración mientras otras partes todavía se están moviendo? La caja de herramientas Shack-Hartmann de WaveMe evita elegantemente este problema con su calibración de referencia sintética.

Does your sensor require you to define regions for the spots? Most of the tools out there are way too complex for practical assembly work. The time to obtain a single result is in the minute range, or more. This I personally find unacceptable. With WaveMe’s Shack-Hartmann toolbox, making a wavefront measurement is as fast as selecting the tool from the menu—often, it’s just a matter of turning on the program. If I had the chutzpa of Amazon, I’d call it ‘1-click measurement.’ But since you have to select the tool and enable it, let’s call it ‘2-clicks to perfection’. That’s it, there is nothing more to do, and there shouldn’t be. No regions of interest or exposure settings. All automated. You can read about it in the charla técnica sobre calibración. Es muy bonito.

Interferometría de cambio de fase

Element centering and collimation are crucial in optical assembly, but optical systems are more complex than that. Lenses can be squeezed by mounts, mirrors bent by coatings or mechanics, and lenses can be inserted in the wrong direction. It happens. Earlier, I did try to make the analogy with a game of tennis and the clock metaphor, and this is the process coming full circle. We started with models, found the requirements and designed optics. We laid out a strategy for assembly and provided the tools. But since this is optics, and despite our best efforts there is a final step to be made, a no excuses, no if or buts. Just a pure – this is what it is. This is the final grade for our efforts.

¿Concuerdan los resultados con los modelos? ¿Las instrucciones de montaje nos dan siempre el mismo sistema, independientemente de quién las construya? Un interferómetro de desplazamiento de fase nos dará la respuesta. El interferómetro de desplazamiento de fase de WaveMe no sólo es preciso, sino también rápido. Con un Cámara USB3 and a fast actuator, 15 wavefronts per second is entirely possible. It is also quite versatile since it assumes that the user may want to alter the system under test in some way, like an OMEMS or deformable mirror. In order to reach speeds that are limited only by the transport interface of the camera, the phase-shifting tool has to transition between synchronous and asynchronous states so that the different physical parts can move when the interferometer doesn’t need them to be at some fixed state.

A interferómetro de difracción puntual es casi siempre una herramienta a medida, pero no es difícil de construir. Para los sistemas de imagen de gama alta, como la litografía, siempre te dirá lo que necesitas saber.

Círculo completo y bonificación

Ahora hemos cerrado el círculo. Tenemos los resultados para retroalimentar nuestros modelos o la forma en que ensamblamos nuestros sistemas. Imaginemos haber hecho esto un par de veces, haber afinado el proceso, haber aprendido de los errores. Tras unas cuantas vueltas a esta rueda, ganaremos la suficiente confianza como para que, ya después del proceso de modelado, sepamos el producto que tendremos dentro de dos o tres años. El valor en esto puede variar, pero esto es lo que proporciona el proceso de aprendizaje, pero hasta que no tengamos las herramientas para ello, este bucle no podrá cerrarse. En la analogía del tenis, nuestro partido ha terminado, pero hasta que no ganemos el partido, queda el siguiente y si no llevamos las experiencias del último partido al siguiente, es probable que repitamos los errores que cometimos entonces, y nuestro oponente nos lo agradecerá. No nos simplifiquemos la vida para la competición.

Algunos trabajos antes de cerrar esta charla técnica. El campo de la óptica es enorme. Es difícil proporcionar una herramienta para todo, pero WaveMe es una herramienta flexible. El programa en sí no es mucho más que un pipeline, un compositor y una interfaz de módulos. Los módulos traen su propia interfaz de usuario y pueden interactuar con otros módulos (o herramientas). El pipeline y la interfaz de módulos son una API abierta. Si una herramienta no hace exactamente lo que te gusta, no es difícil añadir una al pipeline para obtener el resultado que buscas. Cualquiera puede escribir un módulo WaveMe e interactuar con los mensajes en el pipeline, y para agilizar este proceso, WaveMe viene con plantillas de código abierto que se pueden copiar y ampliar de cualquier manera imaginable. De hecho, así es como se desarrollaron en su día todas las herramientas disponibles en la actualidad.