Interferómetro de difracción por orificio, IDO, para inspección y medida de componentes ópticos oftálmicos.
Sector de la técnica
La invención consiste en un interferómetro de difracción por orificio para inspección, análisis y medida de las propiedades ópticas de distintos componentes ópticos oftálmicos, tales como lentes progresivas, lentes de contacto rígidas y blandas, lentes intraoculares, etc.
Estado de la técnica
La metrología óptica es la caracterización de sistemas, superficies y materiales mediante el uso de métodos ópticos de medida. Entre ellos, la interferometría destaca por su eficiencia para medir la calidad de elementos ópticos tales como lentes, espejos o sistemas combinados de lentes y/o espejos.
Para la medida de aberraciones ópticas, se pueden emplear distintos tipos de interferómetros basados en técnicas de desplazamiento lateral o basados en el diseño de Michelson o Mach-Zenhder (E. Hetch, Óptica, Cap. 9., Adison Wesley, Madrid, 2000) ; pero debido a la necesidad de crear una onda de referencia mediante división del haz, su implementación en un aparato compacto y robusto, de uso comercial se hace prácticamente imposible.
Los interferómetros de camino común son candidatos idóneos para resolver el problema anterior. Entre ellos, el interferómetro de difracción por punto (IDP) , (R.N. Smartt and J. Strong, J. Opt. Soc. Am. 62, 737 (1972) ) , permite generar ondas de referencia esféricas ideales mediante la difracción producida por orificios extremadamente pequeños, denominados puntos (entendiéndose por puntos aquellos orificios con diámetros menores que el de la figura de Air y del haz que incide sobre ellos) , realizados en láminas semitransparentes. De esta forma se evita el paso de la luz a través de ópticas de división de haz (espejos, divisores de haz, etc.) que además conllevarían aberraciones.
Otra ventaja que presenta el IDP, además de la sencillez de su principio de funcionamiento, es la interpretación de los patrones de interferencia, trivial en muchos casos, haciéndolo atractivo, además, como dispositivo de inspección.
Al IDP originalmente propuesto por Smartt (R.N. Smartt op. cited) se le han ido añadiendo modificaciones (K.A. Goldberg, US Patent No. 6, 307, 635; J.E. Millerd, et al. Procc. SPIE Vol. 5531, 264 (2004) ) que no alteran su sencillez inicial, y que permiten obtener en los IDP's más sofisticados precisiones en recuperación de fases del orden de λ/300-λ, /400, siendo λ, la longitud de onda utilizada.
Por otra parte, los componentes oftálmicos son componentes ópticos que están integrados dentro de un proceso fisiológico de formación de imagen y, por ello, los requisitos de caracterización difieren en gran medida de otros componentes ópticos, tanto sencillos (superficies planas, lentes, espejos, etc) como más complejos (objetivos fotográficos o de microscopios, etc.) . Así por ejemplo, teniendo en cuenta que para visión central el ojo utiliza solamente una pequeña fracción de las lentes oftálmicas en un instante pequeño de tiempo, la lente sólo necesita proporcionar calidad en una región de diámetro aproximadamente comparable al de la pupila del ojo, no en su totalidad.
El avance en las técnicas de fabricación de los componentes oftálmicos ha permitido producir componentes ópticos cada vez más sofisticados, tanto intra como extraoculares, que corrigen defocalización y astigmatismos en toda su complejidad patológica a través de lentes y lentillas esféricas, tóricas, asféricas, bifocales y multifocales. Además, el desarrollo reciente de métodos eficientes y precisos de medida del conjunto de aberraciones oculares de alto orden, por ejemplo con sensores de Shack-Hartmann (J. Liang et al. J. Opt. Soc. Am. A 14, 2873 (1997) ) ; o mediante Trazados de Rayos Láser (R. Navarro et al. Optom.Vision Sci. 74, 540 (1997) ) ha dado lugar al desarrollo de nuevos componentes oftálmicos (N. Chateau, et al. J. Opt. Soc. Am. A 15, 2589 (1998) ; N. López et al. J. Opt. Soc. Am. A 15, 2563 (1998) ; S. Bará, et al. Patente No. ES2163369) que permiten compensar aberraciones de órdenes superiores, pudiéndose prever para un futuro próximo una tendencia a la fabricación de lentes correctoras personalizadas.
Junto con la evolución de la fabricación de nuevos componentes ópticos oftálmicos se han ido desarrollado nuevas técnicas de medida ya que los frontofocómetros convencionales (D.B. Henson, Optometric Instrumentation, Cap. 11, Butterworths, Londres (1983) ) presentan muy poca o ninguna capacidad para determinar las características ópticas de todos los nuevos elementos correctores de defectos de visión (en la mayoría de los casos es imposible determinar la potencia de forma fiable, incluso en el centro) . Por tanto, son necesarios dispositivos que proporcionen un mapa de potencias de regiones cada vez más amplias de los componentes oftálmicos proporcionando resultados de precisión y reproducibilidad.
Como ya se indicó anteriormente, los requisitos de caracterización de componentes oftálmicos difieren en gran medida de otros componentes ópticos y conviene resaltar que la precisión necesaria para caracterizarlos es menor que la necesaria para caracterizar componentes ópticos en general. En la mayoría de los componentes ópticos, las tolerancias admitidas se expresan en fracciones de la longitud de onda utilizada. Sin embargo, en componentes oftálmicos se admiten tolerancias del orden o incluso varias longitudes de onda.
Hasta la fecha, sólo hay dos instrumentos comerciales que también permiten caracterizar con precisión los nuevos componentes ópticos oftálmicos: El Visionix 2001 (www.visionix.com) que utiliza un sensor Shack-Hartmann cuya matriz de microlentes proporciona del orden de 500 puntos de muestreo; y el Rotlex Contest (www.rotlex.com) basado en deflectometría Moire, que aunque presenta mayor resolución espacial (35000 puntos de muestreo) , al igual que el anterior dispositivo, necesita del soporte informático (ya que no proporcionan directamente los mapas de fase, sino medidas indirectas) incluso para una simple inspección subjetiva que no necesite resultados numéricos, y que permita, por ejemplo, la clasificación de componentes sencillos o la detección de defectos.
Descripción de la invención
El objeto de la presente invención es la implementación de un interferómetro que hemos denominado de difracción por orificio (IDO) . Es un interferómetro de precisión media basado en el principio de funcionamiento del de difracción por punto, IDP. El IDO se diferencia del IDP en que la onda esférica de referencia se genera mediante un orificio cuyo diámetro es mayor que el de la figura de Air y del haz que incide sobre él. De esta forma no se produce una onda esférica ideal, sino una onda cuasi- esférica que aunque obviamente resta precisión a las medidas, ésta es suficiente para medir componentes oftálmicos.
La Figura 1 ilustra la versión básica de la invención, que comprende: Una fuente de radiación electromagnética (1) ; un sistema óptico (2) formado por distintos componentes ópticos que modula espacial y espectralmente el haz de luz que va a iluminar el componente óptico oftálmico; un soporte para éste (3) ; una lente convergente (4) cerca de cuyo plano focal se sitúa la lámina semitransparente con el orificio (5) . El orificio será el que genere la onda esférica de referencia. Por último, un sistema de adquisición de imágenes (7) .
Entendiéndose que las componentes esféricas y cilíndricas del haz de luz a la salida del componente oftálmico pueden ser consideradas como aberraciones de orden 2 respecto a un frente de onda plano, entonces en el plano focal de la lente se tiene en esencia un patrón de difracción de Air y afectado por las aberraciones no sólo de bajo orden sino también las de alto orden del componente. La pequeña porción de radiación que pasa a través del orificio genera por difracción una onda cuasi- esférica que interferirá con la otra parte de la onda que atraviesa la membrana semitransparente. El patrón de interferencia que se genera (6) contiene toda la información de las características focalizadoras del componente oftálmico que se desea analizar. El patrón de interferencias se puede recoger, por ejemplo, en una pantalla o en una cámara CCD (Charged Coupled Device) (5) . En caso de que el componente óptico oftálmico sea una lente intraocular se puede eliminar del dispositivo la lente focalizadora (4) dado su alto valor dióptrico, y situar directamente la lámina semitransparente con el orificio en el plano focal de la lente intraocular, manteniendo el resto de los elementos de la presente invención. (Figura 2) .
La precisión del interferómetro y su rango dinámico dependen de la relación entre el tamaño del orificio y la transmitancia (o equivalentemente de la densidad óptica) de la lámina semitransparente. La utilización de orificios, en vez de puntos, reduce la precisión y sensibilidad del dispositivo, pero esta pérdida de precisión, más que suficiente para la medida de componentes ópticos oftálmicos, se ve compensada por:
a) un incremento del rango dinámico del interferómetro, es decir, permite obtener interferogramas con buen contraste de grandes cantidades de aberraciones; y
b) un alineamiento fácil, que hace del IDO un dispositivo de medida robusto.
Una vez que la relación "diámetro de orificio-transmitancia" da lugar a patrones de interferencia con visibilidad adecuada, su interpretación es simple. Son el resultado de la interferencia producida por una onda esférica con origen en el orificio y la onda que emerge de la lente focalizadora. Así por ejemplo, si el componente oftálmico se ilumina con un haz de luz colimado, y es una lente esférica, las franjas serán círculos concéntricos cuyo espaciado sigue una ley cuadrática proporcional a la potencia de la lente. Si es una lente cilíndrica, serán franjas lineales; y si es esferocilíndrica, bien elipses (en general giradas) si las dos potencias son del mismo signo, o hipérbolas (en general giradas) si son de signos opuestos (obedeciendo su espaciado también una ley cuadrática) . El desplazamiento de los patrones de interferencia (respecto al eje del sistema) relativo al desplazamiento del orificio (también respecto al eje del sistema) proporciona la potencia prismática de los componentes.
La invención se describirá a continuación con un ejemplo para su mejor comprensión; pero debe hacerse constar que se pueden hacer variaciones en el dispositivo básico, e implementarse en otras aplicaciones para medidas de objetos de fase (entendiéndose por objetos de fase aquellos que no absorben ni reflejan luz, sino que alteran la fase del haz de luz que sobre ellos incide o lo deflectan) .
Los objetivos del IDO incluyen la inspección de componentes (clasificación y visualización de defectos) , la realización de medidas objetivas y precisas de las lentes disponibles en el mercado, y su utilización en investigación y desarrollo de nuevos componentes ópticos.
Descripción de las figuras
Fig. 1: Esquema básico del interferómetro de difracción por punto.
Fig. 2: Esquema del interferómetro de difracción por punto para lentes intraoculares.
Fig. 3: Interferogramas de distintas lentes oftálmicas.
a) Esférica Positiva, b) Cilíndrica Negativa Fig. 4: Interferogramas de lentes de contacto blandas (dentro de una cubeta de caras planoparalelas llena de solución salina) .
a) Esférica Negativa b) Tórica Fig. 5: Interferogramas de lentes intraoculares
c) Normal d) Defectuosa Modo de realización
Los componentes oftálmicos (lentes y lentes de contacto esféricas, cilíndricas, tóricas, bifocales, multifocales, progresivas, lentes intraoculares...) son los elementos ópticos en los que se ha aplicado originalmente la invención y con los que se ilustra. Así pues, aunque la viabilidad del IDO será descrita en base a un prototipo y se proporcionarán detalles específicos de la implementación, es obvio que la invención que se presenta podrá realizarse sin tener que limitarse a los detalles aquí descritos.
Ejemplo En el experimento se empleó como fuente de luz un láser de baja potencia de Helio-Neon (longitud de onda: 633 nm) . Mediante un objetivo de microscopio comercial de 60X, un filtro espacial y una lente convergente de 5 cm de focal se generó un haz colimado (plano) para iluminar los componentes ópticos oftálmicos.
El soporte para los componentes es una plataforma plana con un agujero de 4 cm de diámetro.
Las lentes oftálmicas se colocaron directamente sobre el agujero, lo que permitió su centrado. Las lentes de contacto blandas se colocaron dentro de una cubeta de vidrio óptico que contenía solución salina y cuya base era mayor que el diámetro del agujero del soporte. A continuación se situó una lente convergente en cuyo plano focal se colocó la lámina semitransparente con el orificio centrado sobre la mancha focal.
Las lentes intraoculares se colocaron en una placa opaca con un agujero de 6 mm de diámetro apoyada sobre la plataforma. Además, para este tipo de lentes se prescindió de la lente convergente y la lámina se colocó directamente en el plano focal de las mismas con el orificio centrado en la mancha focal.
Las imágenes de los interferogramas se adquirieron con una cámara CCD Pulnix Modelo TM6 AS.
En las Figuras 2, 3 y 4 se muestran interferogramas obtenidos para distintos tipos de componentes oftálmicos.
