INTRODUCCION A LA OPTICA ADAPTATIVA M. Pérez Cagigal Óptica Adaptativa en Biomedicina

1. INTRODUCCION A LA OPTICA ADAPTATIVA M. Pérez Cagigal Óptica Adaptativa en Biomedicina Santander 22-23 Octubre. 2002

5. SENSOR COMPENSADOR DETECTOR Optica Adaptativa

6. Optica Adaptativa SFO DETECTOR

7. Contenido ABERRACIONES - Sist. Opt. Perfecto. Aberraciones - Teoría electromagnética de la luz - Polinomios de Zernike - Optica adaptativa COMPONENTES DE UN SISTEMA DE OPTICA ADAPTATIVA - Sensores de frente de onda - Detectores - Correctores de frente de onda RECONSTRUCCION DEL FRENTE DE ONDA FUENTES DE ERROR APLICACIONES

8. ABERRACIONES - Sist. Opt. Perfecto. Aberraciones - Teoría electromagnética de la luz - Polinomios de Zernike - Optica adaptativa COMPONENTES DE UN SISTEMA DE OPTICA ADAPTATIVA - Sensores de frente de onda - Detectores - Correctores de frente de onda RECONSTRUCCION DEL FRENTE DE ONDA FUENTES DE ERROR APLICACIONES

9. 1 2 O’=F’ 3 4 5 Aberraciones 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.

10. Aberraciones Clasificación de las aberraciones: 1. Aberraciones de punto: Esférica, coma y astigmatismo. 2. Curvatura 3. Distorsión. 4. Hay que añadir una cuarta categoría debida a la naturaleza policromática de la luz: Aberración cromática

11. Esférica Coma

12. Q’ Aberración de onda La función f(r,t) = Q-Q’ definida sobre la pupila del sistema se denomina aberración de onda. Se puede desarrollar en polinomios de Zernike. P0 Q P’0

13. Caracterización de la pantalla de fase Compensar es hacer ai= 0 para algún valor de i

14. ABERRACIONES - Sist. Opt. Perfecto. Aberraciones - Teoría electromagnética de la luz - Polinomios de Zernike - Optica adaptativa COMPONENTES DE UN SISTEMA DE OPTICA ADAPTATIVA - Sensores de frente de onda - Detectores - Correctores de frente de onda RECONSTRUCCION DEL FRENTE DE ONDA FUENTES DE ERROR APLICACIONES

15. SENSORES DE FRENTE DE ONDA

16. Sensores de frente de onda

17. Shack-Hartmann VENTAJAS Fácil de construir. Permite algoritmos de recuperación sencillos

18. Shack-Hartmann C C D

19. Desplazamiento 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.

20. Desplazamiento

21. Curvatura P1 P2 F Diferencia de intensidad entre dos planos, antes y después del foco. VENTAJAS Buenos resultados con pocos actuadores (IR) y lazo cerrado.

22. Curvatura

23. 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 - 24mm tamaño pixel - Diferentes ruidos térmicos y de lectura. Necesidades: - Electrónica específica para transmitir datos y controlar funciones - Refrigeración del detector.

24. Otros CCD - 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. Cámara de la ESO para NAOS

25. Fotodiodos de avalancha 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

26. Sensor Interferencial CCD Sensor piramidal Sensor Efecto Talbot Otros sensores

27. Sensores Modales Sensor Tip-Tilt Sensor Defocus APD APD Sensor Zernikes APD

28. COMPENSACION DEL FRENTE DE ONDA

29. Consideraciones para diseñar un sistema de compensación • 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 mm) o (1-4mm). • 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.

30. Actuadores discretos Características: Coeficiente de dilatación Modulo de elasticidad Conductividad térmica Deflexión según voltaje Modelos teóricos del comportamiento Principio de funcionamiento: Actuadores piezoeléctricos que se deforman a aplicarles tensión.

31. Espejos segmentados Características: Máximo empaquetamiento Desplazamiento vertical Discontinuidades Modelos teóricos del comportamiento Principio de funcionamiento: Actuadores piezoeléctricos que se deforman a aplicarles tensión.

32. V0 V1 V2 V3 Espejos bimorfos Principio de funcionamiento: Dos capas piezoeléctricas que se estiran al aplicarles tensión. Características: 19-37 elementos Diámetro de 23mm Anchura de banda de 2khz

33. Espejos membrana Características: Deformación continua Importante función de influencia Precio razonable Principio de funcionamiento: Membrana suspendida que se mantiene rígida gracias al campo aplicado.

34. Electrodos dirección del campo z Electrodos Correctores refractivos Principio de funcionamiento: El campo entre electrodos hace girar las macro moléculas variando el índice de refracción local del medio Características: Facilidad de manejo Posibilidad de corregir intensidad Respuesta lenta Respuesta espectral

35. Lentes refractivas

36. ABERRACIONES - Sist. Opt. Perfecto. Aberraciones - Teoría electromagnética de la luz - Polinomios de Zernike - Optica adaptativa COMPONENTES DE UN SISTEMA DE OPTICA ADAPTATIVA - Sensores de frente de onda - Detectores - Correctores de frente de onda RECONSTRUCCION DEL FRENTE DE ONDA FUENTES DE ERROR APLICACIONES

37. Reconstrucción Reconstruir es establecer la conexión entre los valores obtenidos del sensor de frente de onda y los valores aplicables al elemento corrector Frente de onda distorsionado Frente de onda corregido Corrector Sensor Predictor Recons tructor

38. Objetivos • 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.

39. 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. OptimaInversión de matrices Procesador paralelo Metodos de Cálculo

40. Reconstrucción del frente de onda SVD = Estimador de mínimos cuadrados

41. 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

42. Frentes de onda reconstruidos Defoco Astigmatismo Compensación

43. ABERRACIONES - Sist. Opt. Perfecto. Aberraciones - Teoría electromagnética de la luz - Polinomios de Zernike - Optica adaptativa COMPONENTES DE UN SISTEMA DE OPTICA ADAPTATIVA - Sensores de frente de onda - Detectores - Correctores de frente de onda RECONSTRUCCION DEL FRENTE DE ONDA FUENTES DE ERROR OBJETO DE REFERENCIA

44. 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.

45. ABERRACIONES - Sist. Opt. Perfecto. Aberraciones - Teoría electromagnética de la luz - Polinomios de Zernike - Optica adaptativa COMPONENTES DE UN SISTEMA DE OPTICA ADAPTATIVA - Sensores de frente de onda - Detectores - Correctores de frente de onda RECONSTRUCCION DEL FRENTE DE ONDA FUENTES DE ERROR APLICACIONES

46. Astronomía Sistema de OA en el Keck

47. Referencia LASER SENSOR

48. Compensación del ojo LASER CCD SENSOR

49. Frente de onda ocular Caracterización del ojo

50. Diagnóstico de retina Diagnóstico para corrección y cirugía Compensación adaptativa