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

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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 Presentation

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  • INTRODUCCION A LA OPTICA ADAPTATIVA M. Prez Cagigal ptica Adaptativa en BiomedicinaSantander 22-23 Octubre. 2002

  • Optica Adaptativa

  • Optica AdaptativaDETECTOR

    SFO

  • ContenidoCOMPONENTES DE UN SISTEMA DE OPTICA ADAPTATIVA- Sensores de frente de onda- Detectores- Correctores de frente de ondaABERRACIONES- Sist. Opt. Perfecto. Aberraciones- Teora electromagntica de la luz- Polinomios de Zernike- Optica adaptativaFUENTES DE ERRORAPLICACIONESRECONSTRUCCION DEL FRENTE DE ONDA

  • COMPONENTES DE UN SISTEMA DE OPTICA ADAPTATIVA- Sensores de frente de onda- Detectores- Correctores de frente de ondaABERRACIONES- Sist. Opt. Perfecto. Aberraciones- Teora electromagntica de la luz- Polinomios de Zernike- Optica adaptativaFUENTES DE ERRORAPLICACIONESRECONSTRUCCION DEL FRENTE DE ONDA

  • AberracionesSistema ptico ideal:La imagen es una reproduccin tridimensional del objeto.Sistema ptico 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 razn de semejanza se mantiene cte en un plano perpendicular al eje.

  • Clasificacin de las aberraciones:

    1. Aberraciones de punto: Esfrica, coma y astigmatismo.2. Curvatura3. Distorsin.

    4. Hay que aadir una cuarta categora debida a la naturaleza policromtica de la luz: Aberracin cromticaAberraciones

  • ComaEsfrica

  • La funcin f(r,t) = Q-Q definida sobre la pupila del sistema se denomina aberracin de onda.Se puede desarrollar en polinomios de Zernike.Aberracin de ondaQP0P0

  • Caracterizacin de la pantalla de fase Compensar es hacer ai= 0 para algn valor de i

    _1008497578.unknown

    _1008497642.unknown

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  • COMPONENTES DE UN SISTEMA DE OPTICA ADAPTATIVA- Sensores de frente de onda- Detectores- Correctores de frente de ondaABERRACIONES- Sist. Opt. Perfecto. Aberraciones- Teora electromagntica de la luz- Polinomios de Zernike- Optica adaptativaFUENTES DE ERRORAPLICACIONESRECONSTRUCCION DEL FRENTE DE ONDA

  • SENSORES DE FRENTE DE ONDA

  • Sensores de frente de onda

    zonal

    modal

    Medida de pendientes

    Sensado del tilt total

    Shack-Hartmann

    Sensado de desenfoque

    Interfermetro de desplazamiento

    Medida de curvatura

    Sensor de curvatura

  • VENTAJAS

    Fcil de construir. Permite algoritmos de recuperacin sencillosShack-Hartmann

  • CCDShack-Hartmann

  • La intensidad en la zona de superposicin es proporcional a la pendiente del frente de onda en ese puntoVENTAJAS

    Buena respuesta en amplia banda espectral.No le afecta scintillation.Funciona con fuentes extensas.Desplazamiento

  • Desplazamiento

  • F P1 P2Diferencia de intensidad entre dos planos, antes y despus del foco.VENTAJASBuenos resultados con pocos actuadores (IR)y lazo cerrado.Curvatura

  • Curvatura

  • Detectores CCDCaractersticas: - Ruido de lectura 5-10 electrones por pixel- Velocidad de toma de imagen: 2 Khz- Eficiencia cuntica hasta : 80%- Operan en visible (450-750 nm)- 64x64 pixeles- 24mm tamao pixel- Diferentes ruidos trmicos y de lectura. Necesidades: - Electrnica especfica para transmitir datos y controlar funciones - Refrigeracin del detector.

  • - CCD con una o varias etapas de intensificacin. Factor de amplificacin de 106

    - CCD bombardeados por electrones. Eficaces pero inasequibles.

    - CCD iluminados por la espalda. Alta eficiencia. Mejor opcin prestaciones/precio.Otros CCDCmara de la ESOpara NAOS

  • Caractersticas:

    - Gran ganancia libre de ruido

    - Eficiencia cuntica del 50%

    - Velocidad de lectura 1.5 Mhz

    - Se disparan electrnicamente

    - Se leen en paralelo

    Necesidades:- Empaquetamiento para evitar ruido entre diodos adyacentes- RefrigeracinFotodiodos de avalancha

  • Otros sensores

  • Sensor Defocus

    APDAPDSensores ModalesSensor Tip-Tilt

    Sensor Zernikes

    APD

  • COMPENSACION DEL FRENTE DE ONDA

  • Nmero de actuadores o grados de libertad y su forma.

    Rango dinmico de la correccin. Excursin 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 mnimos.

    Histresis. Deben de recuperarse al cesar la actividad.

    Capacidad del corrector de adaptarse al frente de onda.

    Consideraciones para disear un sistema de compensacin

  • Principio de funcionamiento:Actuadores piezoelctricos que se deforman a aplicarles tensin.

    Caractersticas:Coeficiente de dilatacinModulo de elasticidadConductividad trmicaDeflexin segn voltajeModelos tericos del comportamiento

    Actuadores discretos

  • Principio de funcionamiento:Actuadores piezoelctricos que se deforman a aplicarles tensin.

    Caractersticas:Mximo empaquetamientoDesplazamiento vertical DiscontinuidadesModelos tericos del comportamiento

    Espejos segmentados

  • Caractersticas:19-37 elementosDimetro de 23mm Anchura de banda de 2khz

    Principio de funcionamiento:Dos capas piezoelctricas que se estiran al aplicarles tensin.Espejos bimorfos

  • Caractersticas:Deformacin continuaImportante funcin de influenciaPrecio razonable

    Principio de funcionamiento:Membrana suspendida que se mantiene rgida gracias al campo aplicado.

    Espejos membrana

  • Caractersticas:Facilidad de manejoPosibilidad de corregir intensidadRespuesta lentaRespuesta espectralPrincipio de funcionamiento:El campo entre electrodos hace girar las macro molculas variando el ndice de refraccin local del medioCorrectores refractivos

  • Lentes refractivas

  • RECONSTRUCCION DEL FRENTE DE ONDAABERRACIONES- Sist. Opt. Perfecto. Aberraciones- Teora electromagntica de la luz- Polinomios de Zernike- Optica adaptativaFUENTES DE ERRORAPLICACIONESCOMPONENTES DE UN SISTEMA DE OPTICA ADAPTATIVA- Sensores de frente de onda- Detectores- Correctores de frente de onda

  • Reconstruir es establecer la conexin entre los valores obtenidos del sensor de frente de onda y los valores aplicables al elemento correctorCorrectorPredictorReconstructorSensorFrente de onda distorsionadoFrente de onda corregidoReconstruccin

  • Estimacin de los valores del frente de onda a partir de experimento.

    Eliminar componentes innecesarias como el pistn.

    Compensacin independiente de tip-tilt y desenfoque.

    Eliminar acoplos debidos a la funcin de influencia del corrector.

    Reducir ruidos aprovechando la estadstica de la luz

    Minimizacin del error en el frente de onda reconstruido.

    Ajuste entre las geometras del sensor y del corrector.

    Objetivos

  • Metodos de Clculo

  • SVD = Estimador de mnimos cuadradosReconstruccin del frente de onda

  • Modelos de medida

  • Frentes de onda reconstruidosDefocoAstigmatismoCompensacin

  • ABERRACIONES- Sist. Opt. Perfecto. Aberraciones- Teora electromagntica de la luz- Polinomios de Zernike- Optica adaptativaFUENTES DE ERROROBJETO DE REFERENCIACOMPONENTES DE UN SISTEMA DE OPTICA ADAPTATIVA- Sensores de frente de onda- Detectores- Correctores de frente de ondaRECONSTRUCCION DEL FRENTE DE ONDA

  • Fuentes de errorErrores en la deteccin. Ruidos inevitables que reducen la precisin en la determinacin de centroides y gradientes.

    Errores en el procesado.Propagacin de errores en el proceso de reconstruccin.

    Errores en el corrector.Funcin de influencia del corrector. Falta de repetitividad.Histresis. Esto supone una fuente de error no siempre controlada.

    Error temporal.Retraso entre el frente de onda medido y el modificado.

  • ABERRACIONES- Sist. Opt. Perfecto. Aberraciones- Teora electromagntica de la luz- Polinomios de Zernike- Optica adaptativaCOMPONENTES DE UN SISTEMA DE OPTICA ADAPTATIVA- Sensores de frente de onda- Detectores- Correctores de frente de ondaRECONSTRUCCION DEL FRENTE DE ONDAAPLICACIONESFUENTES DE ERROR

  • AstronomaSistema de OA en el Keck

  • LASERSENSOR Referencia

  • Compensacin del ojoLASERSENSORCCD

  • Caracterizacin del ojo

  • Control extracavitario de modos

  • Tomografa y compensacin volumtrica

  • Optica adaptativa multiconjugada

    El texto est en ingls en consideracin a Foy.El primer paso debe ser explicar brevemente qu es un sistema de ptica adaptativa.EFECTO DE LA COMPENSACIN EN LA IMAGEN La correccin nunca es perfecta en el visible.

    La luz solar calienta la superficie terrestre. El proceso de intercambio de calor con la atmsfera crea en sta movimientos del aire a diferentes escalas en rgimen turbulento, lo que produce inhomogeneidades de la densidad del aire y de la concentracin de vapor de agua, en definitiva, inhomogeneidades en el ndice de refraccin. Al encontrar zonas con distinto ndice de refraccin los frentes de onda que atraviesan la atmsfera se distorsionan. El principal problema de estas distorsiones es que varan con el tiempo (10 ms). Si no fuera as se podran corregir con elementos estticos (gafas). Los sistemas de ptica corrigen a tiempo real las distorsiones introducidas por la atmsfera.

    El objetivo principal del trabajo es la descripcin del proceso fsico de formacin de la imagen en un telescopio dotado de un sistema de ptica adaptativa para corregir las perturbaciones de la atmsfera. En especial, es interesante obtener la estadstica en la imagen.Comentar el esquema y que todo est relacionado.El r0, o parmetro de Fried, describe el estado de la atmsfera: si es grande, el estado es bueno, si es pequeo, malo. Adems de describir el tamao de las celdas en la atmsfera, determina la resolucin o anchura de la PSF.El modelo supone que el efecto de atmsfera y compensacin se puede asociar a una nica pantalla de fase, sise cumplen las siguientes condiciones:1 - La fase que introduce cada celda es independiente de las del resto, y2 - su funcin densidad de probabilidad es una gaussiana con varianza igual a la varianza promedio sobre el frente de onda Dj. De la funcn densidad se obtiene la funcin caracterstica sin ms que realizar la TF.La anchura de estas gaussianas se puede hallar con facilidad. El frente de onda suele descomponerse en la base de los polinomios de Zernike. Existe una expresin analtica de la varianza residual en el frente de onda (la anchura de la gaussiana) en funcin del nmero j de polinomios corregidos.La funcin densidad de probabilidad de la fase es gaussiana segn la segunda de las condiciones. Sin correccin la fase se distribuye uniformemente entro -pi y pi (lnea roja). A medida que se aumenta el grado de correccin, se consigue un frente de onda ms parecido al frente de onda plano original, por lo que la distribucin de fases se estrecha.