introduccion a la optica adaptativa m. pérez cagigal Óptica adaptativa en biomedicina
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INTRODUCCION A LA OPTICA ADAPTATIVA M. Pérez Cagigal Óptica Adaptativa en Biomedicina Santander 22-23 Octubre. 2002. SENSOR. COMPENSADOR. DETECTOR. Optica Adaptativa. Optica Adaptativa. SFO. DETECTOR. Contenido. ABERRACIONES - Sist. Opt. Perfecto. Aberraciones - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
INTRODUCCION A LA OPTICA ADAPTATIVA
M. Pérez Cagigal
Óptica Adaptativa en BiomedicinaSantander 22-23 Octubre. 2002
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4
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SENSOR
DETECTOR
Optica Adaptativa
COMPENSADOR
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Optica Adaptativa
DETECTOR
SFO
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Contenido
COMPONENTES DE UN SISTEMA DE OPTICA ADAPTATIVA- Sensores de frente de onda- Detectores- Correctores de frente de onda
ABERRACIONES- Sist. Opt. Perfecto. Aberraciones- Teoría electromagnética de la luz- Polinomios de Zernike- Optica adaptativa
FUENTES DE ERROR
APLICACIONES
RECONSTRUCCION DEL FRENTE DE ONDA
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COMPONENTES DE UN SISTEMA DE OPTICA ADAPTATIVA- Sensores de frente de onda- Detectores- Correctores de frente de onda
ABERRACIONES- Sist. Opt. Perfecto. Aberraciones- Teoría electromagnética de la luz- Polinomios de Zernike- Optica adaptativa
FUENTES DE ERROR
APLICACIONES
RECONSTRUCCION DEL FRENTE DE ONDA
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Aberraciones
1
2
3
4
5
O’=F’
Sistema óptico ideal:La imagen es una reproducción tridimensional del objeto.
Sistema óptico perfecto:1. La imagen de un punto es un punto.2. A un plano perpendicular al eje le corresponde un plano perpendicular al eje.3. La razón de semejanza se mantiene cte en un plano perpendicular al eje.
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Clasificación de las aberraciones:
1. Aberraciones de punto: Esférica, coma y astigmatismo.2. Curvatura3. Distorsión.
4. Hay que añadir una cuarta categoría debida a la naturaleza policromática de la luz: Aberración cromática
Aberraciones
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Coma
Esférica
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La función (r,t) = Q-Q’ definida sobre la pupila del sistema se
denomina aberración de onda.Se puede desarrollar en polinomios de Zernike.
Aberración de onda
Q
Q’P0
P’0
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1ji
2ij
ii
a
),(Za),(i
rr
Caracterización de la pantalla de fase
Compensar es hacer ai= 0 para algún valor de i
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COMPONENTES DE UN SISTEMA DE OPTICA ADAPTATIVA- Sensores de frente de onda- Detectores- Correctores de frente de onda
ABERRACIONES- Sist. Opt. Perfecto. Aberraciones- Teoría electromagnética de la luz- Polinomios de Zernike- Optica adaptativa
FUENTES DE ERROR
APLICACIONES
RECONSTRUCCION DEL FRENTE DE ONDA
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SENSORES DE FRENTE DE ONDA
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Sensores de frente de onda
zonal modal
Medida de pendientes Sensado del tilt total
Shack-Hartmann Sensado de desenfoque
Interferómetro de desplazamiento
Medida de curvatura
Sensor de curvatura
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VENTAJAS
Fácil de construir. Permite algoritmos de recuperación sencillos
Shack-Hartmann
f
x
x
rmx
)(
f
y
y
rmy
)(
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CCD
Shack-Hartmann
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La intensidad en la zona de superposición es proporcional a la pendiente del frente de onda en ese punto
VENTAJAS
Buena respuesta en amplia banda espectral.No le afecta scintillation.Funciona con fuentes extensas.
Desplazamiento
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Desplazamiento
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F
P1 P2
Diferencia de intensidad entre dos planos, antes y después del foco.
VENTAJASBuenos resultados con pocos actuadores (IR)y lazo cerrado.
Curvatura
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Curvatura
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Detectores CCD
Características: - Ruido de lectura 5-10 electrones por pixel- Velocidad de toma de imagen: 2 Khz- Eficiencia cuántica hasta : 80%- Operan en visible (450-750 nm)- 64x64 pixeles- 24m tamaño pixel- Diferentes ruidos térmicos y de lectura. Necesidades: - Electrónica específica para transmitir datos y controlar funciones - Refrigeración del detector.
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- CCD con una o varias etapas de intensificación. Factor de amplificación de 106
- CCD bombardeados por electrones. Eficaces pero inasequibles.
- CCD iluminados por la espalda. Alta eficiencia. Mejor opción prestaciones/precio.
Otros CCD
Cámara de la ESO
para NAOS
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Características:
- Gran ganancia libre de ruido
- Eficiencia cuántica del 50%
- Velocidad de lectura 1.5 Mhz
- Se disparan electrónicamente
- Se leen en paralelo
Necesidades:
- Empaquetamiento para evitar ruido entre diodos adyacentes
- Refrigeración
Fotodiodos de avalancha
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Otros sensores
Sensor Interferencial
CCD
Sensor piramidal
Sensor Efecto Talbot
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Sensor Defocus
APD
APD
Sensores Modales
Sensor Tip-Tilt
Sensor Zernikes
APD
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COMPENSACION DEL FRENTE DE ONDA
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• Número de actuadores o grados de libertad y su forma.
• Rango dinámico de la corrección. Excursión suficiente para todos los casos.
• Rango espectral del corrector. (.4-.7 m) o (1-4m).
• Tiempo de respuesta. Inferior al tiempo de coherencia del sistema a corregir.
• Errores residuales. Han de ser mínimos.
• Histéresis. Deben de recuperarse al cesar la actividad.
• Capacidad del corrector de adaptarse al frente de onda.
Consideraciones para diseñar un sistema de compensación
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Principio de funcionamiento:Actuadores piezoeléctricos que se deforman a aplicarles tensión.
Características:Coeficiente de dilataciónModulo de elasticidadConductividad térmicaDeflexión según voltajeModelos teóricos del comportamiento
Actuadores discretos
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Principio de funcionamiento:Actuadores piezoeléctricos que se deforman a aplicarles tensión.
Características:Máximo empaquetamientoDesplazamiento vertical DiscontinuidadesModelos teóricos del comportamiento
Espejos segmentados
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Características:19-37 elementosDiámetro de 23mm Anchura de banda de 2khz
V0 V1 V2 V3
Principio de funcionamiento:Dos capas piezoeléctricas que se estiran al aplicarles tensión.
Espejos bimorfos
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Características:Deformación continuaImportante función de influenciaPrecio razonable
Principio de funcionamiento:Membrana suspendida que se mantiene rígida gracias al campo aplicado.
Espejos membrana
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Características:Facilidad de manejoPosibilidad de corregir intensidadRespuesta lentaRespuesta espectral
Electrodos
Electrodos
dirección del
campo
z
Principio de funcionamiento:El campo entre electrodos hace girar las macro moléculas variando el índice de refracción local del medio
Correctores refractivos
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Lentes refractivas
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RECONSTRUCCION DEL FRENTE DE ONDA
ABERRACIONES- Sist. Opt. Perfecto. Aberraciones- Teoría electromagnética de la luz- Polinomios de Zernike- Optica adaptativa
FUENTES DE ERROR
APLICACIONES
COMPONENTES DE UN SISTEMA DE OPTICA ADAPTATIVA- Sensores de frente de onda- Detectores- Correctores de frente de onda
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Reconstruir es establecer la conexión entre los valores obtenidos del sensor de frente de onda y los valores aplicables al elemento corrector
Corrector
PredictorReconstructor
Sensor
Frente de onda distorsionado
Frente de onda corregido
Reconstrucción
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• Estimación de los valores del frente de onda a partir de experimento.
• Eliminar componentes innecesarias como el pistón.
• Compensación independiente de tip-tilt y desenfoque.
• Eliminar acoplos debidos a la función de influencia del corrector.
• Reducir ruidos aprovechando la estadística de la luz
• Minimización del error en el frente de onda reconstruido.
• Ajuste entre las geometrías del sensor y del corrector.
Objetivos
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Modelo de reconst. Método de Calculo Realización Práctica
Modelo de red Métodos iterativos Técnicas iterativas
Jacobi Analógica
Gauss-Seidel Digital
SOR Híbrida
Recons. Cuasi-óptima Exponencial Cálculo en serie
Recons. Optima Inversión de matrices Procesador paralelo
Metodos de Cálculo
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m1m
K
k
kk x
x,yZa
x
m1m
K
k
kk y
x,yZa
y ABP
SVD = Estimador de mínimos cuadrados
PUVA T1/diagˆjw
Reconstrucción del frente de onda
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O O O
O O O
O O O
O O O
O O O
O O O
O O O
O O O
O O O
Desplazamiento Shack-Hartmann No se utiliza
Modelos de medida
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Frentes de onda reconstruidos
Defoco Astigmatismo
Compensación
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ABERRACIONES- Sist. Opt. Perfecto. Aberraciones- Teoría electromagnética de la luz- Polinomios de Zernike- Optica adaptativa
FUENTES DE ERROR
OBJETO DE REFERENCIA
COMPONENTES DE UN SISTEMA DE OPTICA ADAPTATIVA- Sensores de frente de onda- Detectores- Correctores de frente de onda
RECONSTRUCCION DEL FRENTE DE ONDA
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Fuentes de error
Errores en la detección.
Ruidos inevitables que reducen la precisión en la determinación de centroides y gradientes.
Errores en el procesado.
Propagación de errores en el proceso de reconstrucción.
Errores en el corrector.
Función de influencia del corrector. Falta de repetitividad.
Histéresis. Esto supone una fuente de error no siempre controlada.
Error temporal.
Retraso entre el frente de onda medido y el modificado.
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COMPONENTES DE UN SISTEMA DE OPTICA ADAPTATIVA- Sensores de frente de onda- Detectores- Correctores de frente de onda
RECONSTRUCCION DEL FRENTE DE ONDA
APLICACIONES
FUENTES DE ERROR
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Astronomía
Sistema de OA en el Keck
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LASER SENSOR
Referencia
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Compensación del ojo
LASER
SENSORCCD
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Frente de onda ocular
Caracterización del ojo
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Diagnóstico para corrección y cirugíaDiagnóstico de retinaCompensación adaptativa
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Control extracavitario de modos
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Tomografía y compensación volumétrica
Fuente
Trayectoria de la fuente
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Optica adaptativa multiconjugada