ES2549977B2 - Optoelectronic methods and devices for collimating and / or for determining the degree of collimation of a light beam - Google Patents
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Abstract
Métodos y dispositivos optolectrónicos para colimar y/o determinar el grado de colimación de un haz de luz.#La invención se refiere a un método para determinar el grado de colimación de un haz de luz y a un método para colimar un haz de luz mediante el cálculo de los periodos de dos autoimágenes, o más, generadas por una red de difracción a distancias diferentes.#Además, incluye dispositivos optoelectrónicos diseñados para llevar a cabo ambos métodos. Los distintos dispositivos comprenden una red de difracción (3), uno o varios sistemas de fotodetección (4) y un dispositivo electrónico de procesamiento de datos (5). Cuando se incluye un único sistema de fotodetección, se obtienen dos o más autoimágenes mediante espejos o mediante la inclinación del sistema de fotodetección con respecto al eje óptico del dispositivo. Los dispositivos diseñados para colimar un haz incluyen un elemento colimador (2).Optolectronic methods and devices for collimating and / or determining the degree of collimation of a light beam. # The invention relates to a method for determining the degree of collimation of a light beam and to a method for collimating a light beam by means of the Calculation of the periods of two self-images, or more, generated by a diffraction network at different distances. # In addition, it includes optoelectronic devices designed to carry out both methods. The different devices comprise a diffraction network (3), one or more photodetection systems (4) and an electronic data processing device (5). When a single photodetection system is included, two or more self-images are obtained by mirrors or by tilting the photodetection system with respect to the optical axis of the device. Devices designed to collimate a beam include a collimator element (2).
Description
Métodos y disposüivos optoelectrónicos para colimar y/o para determinar el Optoelectronic methods and devices for collimating and / or for determining the
grado de colimación de un haz de luz. degree of collimation of a beam of light.
5 Sector de la técnica 5 Technical sector
La presente invención se encuadra en el sector de la Tecnología Óptica y más The present invention fits into the Optical Technology sector and more
concretamente en el sector de Dispositivos Optoelectrónicos. specifically in the Optoelectronic Devices sector.
Estado de la técnica State of the art
10 El grado de colimación de un haz de luz es de gran importancia en numerosas aplicaciones ópticas, tales como dispositivos metrológicos, 10 The degree of collimation of a beam of light is of great importance in numerous optical applications, such as metrological devices,
sistemas para iluminación, óptica de consumo, aplicaciones de los láseres, etc. Se dice que un haz luminoso se encuentra colimado cuando su grado de systems for lighting, consumer optics, laser applications, etc. It is said that a light beam is collimated when its degree of
colimación es máximo. En esta situación el haz de luz se propaga 15 paralelamente y, en el caso ideal, la divergencia es minima. Existen métodos Collimation is maximum. In this situation the light beam propagates in parallel and, in the ideal case, the divergence is minimal. There are methods
sencillos, bien conocidos, para colimar una fuente de luz general, mediante el simple, well known, to collimate a general light source, by
uso de una lente o un sistema de lentes, tal como comparar el tamaño del haz use of a lens or lens system, such as comparing the beam size
a varias distancias o el método de autocolimación, donde se coloca un objeto real en el foco de una lente convergente para que la imagen se forme en el at various distances or the method of self-collimation, where a real object is placed in the focus of a converging lens so that the image is formed in the
20 infinito. Seguidamente se coloca detrás de la lente un espejo plano que refleja los rayos de luz de tal forma que la imagen del mismo tamaño se forma en el objeto. Estos métodos de fácil implementación son aproximados y en la 20 infinity A flat mirror is then placed behind the lens that reflects the rays of light so that the image of the same size is formed on the object. These easy implementation methods are approximate and in the
mayoría de las aplicaciones industriales o experimentales producen excesiva most industrial or experimental applications produce excessive
incertidumbre. uncertainty.
25 Las técnicas interferométricas para colimar un haz de luz o medir su grado de colimación conocidas como LSI (del inglés "lateral shearing interferometry") 25 Interferometric techniques to collimate a beam of light or measure its degree of collimation known as LSI ("lateral shearing interferometry")
están entre las más precisas, siendo conocidas desde hace varias décadas They are among the most accurate, being known for several decades
[D. Malacara, ed., Optical Shop Testing (Wiley, New York, 1978)]. La base de [D. Malacara, ed., Optical Shop Testing (Wiley, New York, 1978)]. the basis of
estas técnicas consiste en duplicar el frente de ondas bajo estudio, These techniques consist of doubling the wavefront under study,
30 desplazarlo ligeramente y obtener el patrón de interferencia entre el frente de ondas original y el desplazado. Sin embargo, para producir dicho patrón se requiere el uso de haces de luz que tengan un alto grado de coherencia 30 Shift it slightly and get the interference pattern between the original and the displaced wavefront. However, to produce such a pattern the use of light beams that have a high degree of coherence is required
temporal y espacial, como suelen ser los láseres. temporal and spatial, as lasers are usually.
En muchas situaciones es necesario colimar o conocer el grado de colimación In many situations it is necessary to collimate or know the degree of collimation
de un haz de luz proveniente de otro tipo de fuentes tales como diodos emisores de luz (LEDs, del inglés "Iight-emil!ing diodes"), diodos láser, láseres de emisión superficial con cavidad vertical (VCSELs, del inglés "vertical-cavity of a beam of light from other sources such as light-emitting diodes (LEDs, from English "Iight-emil! ing diodes"), laser diodes, surface emission lasers with vertical cavity (VCSELs, from English "vertical- cavity
5 surface-emil!ing lasers") y otras fuentes que presentan un cierto grado de coherencia parcial temporal y/o espacial. 5 surface-emil! Ing lasers ") and other sources that have a certain degree of temporal and / or spatial partial coherence.
Los colimadores que utilizan redes de difracción, mediante el efecto Talbot, constituyen una técnica atractiva y muy precisa para la colimación de haces de luz de este tipo de fuentes. La ventaja de utilizar las autoimágenes de las 10 redes de difracción para determinar el grado de colimación de un haz de luz Collimators that use diffraction nets, using the Talbot effect, constitute an attractive and very precise technique for collimating light beams from this type of source. The advantage of using the self-images of the 10 diffraction networks to determine the degree of collimation of a light beam
es que los requisitos de la fuente de iluminación son menos restrictivos, pues el fenómeno no se debe a las interferencias, sino a la difracción. De esta forma, no es necesario que la fuente sea puntual para producir autoimágenes, ni necesita que sea monocromática. is that the requirements of the lighting source are less restrictive, because the phenomenon is not due to interference, but to diffraction. Thus, it is not necessary that the source be punctual to produce self-images, nor does it need to be monochromatic.
15 Recientemente, se ha desarrollado una técnica para determinar el grado de 15 Recently, a technique has been developed to determine the degree of
colimación basada en una conjunción de redes de difracción lineales y circulares, como es la presentada en [K. Patorski, K. Pokorski, and M. Trusiak, "Circular-linear grating Talbot interferometry with moiré Fresnel imaging for beam collimation" Opl. Lel!. 39, 291 (2014)]. El inconveniente de 20 esta técnica es la notable dificultad en el procesado de las señales obtenidas a la salida del sistema de colimación. Otro ejemplo para medir con baja incertidumbre el grado de colimación de un haz con un grado de coherencia parcial se muestra en [L.M. Sanchez-Brea, EJ. Torcal-Milla, E J. SalgadoRemacha, 1. Morlanes, 1. Jimenez-Castillo, and E. Bernabeu, "Collirnation 25 method using a double grating system" Appl. Opl. 49, 3363 (2010)] donde se utilizan dos redes de difracción lineales. No obstante, esta técnica requiere un desplazarniento lateral de la red, por lo que el dispositivo se vuelve complicado y costoso. También fuentes con alto grado de policromaticidad pueden generar autoimágenes cuando se utiliza una red de difracción. Por 30 ejemplo, es conocido que las fuentes policrornáticas pueden generar autoimágenes estables a una larga distancia [N Guérineau, B. Harchaoui, J. Primot "Talbot experiment re-examined: demonstration of an achromatic and continuous self-imaging regime," Optics Communications 180 199-203 (2000)]. Por otra parte, se puede deterrninar el grado de colimación de un haz 35 mediante la medida del periodo de una autoimagen y la comparación con el periodo de la red de difracción que forma dicha autoimagen [L.M. Sanchezcollimation based on a conjunction of linear and circular diffraction networks, as presented in [K. Patorski, K. Pokorski, and M. Trusiak, "Circular-linear grating Talbot interferometry with moiré Fresnel imaging for beam collimation" Opl. Lel! 39, 291 (2014)]. The drawback of this technique is the remarkable difficulty in processing the signals obtained at the exit of the collimation system. Another example for measuring with low uncertainty the degree of collimation of a beam with a degree of partial coherence is shown in [L.M. Sanchez-Brea, EJ. Torcal-Milla, E J. Salgado Rivet, 1. Morlanes, 1. Jimenez-Castillo, and E. Bernabeu, "Collirnation 25 method using a double grating system" Appl. Opl 49, 3363 (2010)] where two linear diffraction networks are used. However, this technique requires a lateral displacement of the network, so that the device becomes complicated and expensive. Also sources with a high degree of polychromaticity can generate self-images when a diffraction network is used. For example, it is known that polychromatic sources can generate stable self-images over a long distance [N Guérineau, B. Harchaoui, J. Primot "Talbot experiment re-examined: demonstration of an achromatic and continuous self-imaging regime," Optics Communications 180 199-203 (2000)]. On the other hand, the degree of collimation of a beam 35 can be determined by measuring the period of a self-image and the comparison with the period of the diffraction network that forms said self-image [L.M. Sanchez
Brea, EJ. Torcal-Milla, J.M. Herrera-Fernandez, T. Marlanes, and E. Bernabeu Brea, EJ. Torcal-Milla, J.M. Herrera-Fernandez, T. Marlanes, and E. Bernabeu
"Self-imaging technique far beam collimation" Optics Lellers 39(19) 57645767 (2014)]. Cuando el periodo de la autoimagen es el mismo que el de la red , entonces el haz está colimado. La principal desventaja de esta técnica es la necesidad de conocer el periodo de la red con una precisión elevada, del "Self-imaging technique far beam collimation" Optics Lellers 39 (19) 57645767 (2014)]. When the period of the self-image is the same as that of the network, then the beam is collimated. The main disadvantage of this technique is the need to know the period of the network with high precision, of the
orden del nanómetro en muchos casos. Esto supone un control muy estricto Nanometer order in many cases. This means very strict control.
de las condiciones ambientales y del posicionado de los diferentes elementos of the environmental conditions and the positioning of the different elements
ópticos y opto-electrónicos. Pequeñas variaciones de temperatura, Optical and opto-electronic. Small temperature variations,
rotaciones, desalineamientos de los componentes, etc. pueden producir rotations, component misalignments, etc. can produce
variaciones del periodo de la red de difracción utilizada o variaciones del variations of the period of the diffraction network used or variations of the
periodo de las autoimágenes. Par ello, es necesario idear un sistema que no necesite el conocimiento previo de la red de difracción utilizada. period of the self-images. For this, it is necessary to devise a system that does not need prior knowledge of the diffraction network used.
La difracción es un fenómeno característico de la luz ligado a su carácter ondulatorio donde un haz luminoso deja de seguir una trayectoria rectilínea, Diffraction is a characteristic phenomenon of light linked to its wave character where a light beam ceases to follow a rectilinear path,
tal y como indica la óptica geométrica, al encontrarse con un obstáculo o al as indicated by geometric optics, when encountering an obstacle or when
atravesar una abertura . El efecto Talbot tiene lugar cuando una onda incide through an opening. The Talbot effect takes place when a wave hits
sobre una red de difracción. En el régimen de campo cercano se pueden encontrar réplicas de la forma del objeto conocidas como auto imágenes (del over a diffraction network. In the near field regime you can find replicas of the object shape known as auto images (of
inglés "self-images") situadas en Zk = k p2 /A. siendo k un número entero , p el English "self-images") located in Zk = k p2 / A. where k is an integer, p the
periodo de la red y A la longitud de onda de campo incidente. Las distancias donde se localizan las autoimágenes, Zk, se denominan distancias de Talbo!. network period and A wavelength of incident field. The distances where the self-images, Zk, are located are called Talbo distances!
Basados en los fenómenos fisicos mencionados, se conocen en el estado de la técnica diversos dispositivos que comprueban el grado de colimación de un haz. Entre las patentes relacionadas con la invención cabe destacar: Based on the mentioned physical phenomena, various devices that check the degree of collimation of a beam are known in the state of the art. Among the patents related to the invention are:
La patente CN1080997 (A) que muestra un dispositivo que testea el grado de colimación de una fuente de luz láser de forma computerizada comprensiva. Patent CN1080997 (A) which shows a device that tests the degree of collimation of a laser light source in a comprehensive computerized form.
Incluye un ancho rango de medidas siempre que se trate de una fuente de luz It includes a wide range of measurements whenever it is a light source
láser. To be.
La patente CN101469977 (A) que muestra un dispositivo que comprueba la Patent CN101469977 (A) showing a device that checks the
colimación incrementando la precisión y con una estructura compacta. collimation increasing accuracy and with a compact structure.
En definitiva existe en el estado de la técnica la necesidad de un método de determinación del grado de colimación de un haz de forma robusta y sencilla, y la necesidad de un método para obtener un haz con alto grado de colimación. Además, ambos métodos deben ser muy precisos por lo que deben ser invariantes frente a las condiciones ambientales y de Ultimately, there is a need in the state of the art for a method of determining the degree of collimation of a beam in a robust and simple way, and the need for a method for obtaining a beam with a high degree of collimation. In addition, both methods must be very precise, so they must be invariant against environmental and environmental conditions.
posicionamiento de los diferentes elementos de los Que consten sus positioning of the different elements of those that state their
respectivos montajes. Asimismo deben ser compatibles con distintos tipos de respective assemblies. They must also be compatible with different types of
fuentes de luz, y no solamente con haces con alto grado de coherencia y light sources, and not only with beams with a high degree of coherence and
monocromaticidad. Por otro lado, estos métodos deben ser independientes 5 del periodo de la red de difracción. monochromaticity On the other hand, these methods must be independent of the period of the diffraction network.
Descripción detallada de la invención Detailed description of the invention
Métodos y dispositivos optoelectrónicos para colimar y/o para determinar el grado de colimación de un haz de luz. Optoelectronic methods and devices for collimating and / or for determining the degree of collimation of a light beam.
10 La presente invención se refiere a un método de medición del grado de The present invention relates to a method of measuring the degree of
colimación de un haz de luz y a un método para colimar un haz de luz con collimation of a beam of light and a method to collimate a beam of light with
elevada precisión. Ambos utilizan el efecto Talbol producido por la difracción high precision Both use the Talbol effect produced by diffraction
en régimen de campo cercano y las autoimágenes generadas por una red de in a near field regime and the self-images generated by a network of
difracción para comprobar el grado de colimación y realizar la colimación. diffraction to check the degree of collimation and perform collimation.
15 Estos métodos pueden ser aplicados a haces provenientes de fuentes extensas y/o policromáticas con gran independencia de las condiciones ambientales, del posicionado de los elementos opto-mecánicos y del periodo de la red de difracción. 15 These methods can be applied to beams coming from large and / or polychromatic sources with great independence of the environmental conditions, of the positioning of the opto-mechanical elements and of the period of the diffraction network.
En esta memoria descriptiva, se entiende por "haz de luz" 0 , simplemente, In this specification, "beam of light" means 0, simply,
20 "haz" cualquier tipo de haz de luz, incluido un haz láser, capaz de producir autoimágenes al incidir sobre una red de difracción. 20 "beam" any type of beam of light, including a laser beam, capable of producing self-images when hitting a diffraction network.
Para medir el grado de colimación de un haz, en la presente invención se utiliza una red de difracción 3 de un periodo p. Al propagarse la luz, debido a To measure the degree of collimation of a beam, a diffraction network 3 of a period p is used in the present invention. When the light spread, due to
efectos difractivos, se generan autoimágenes a determinadas distancias de la diffractive effects, self-images are generated at certain distances from the
25 red de difracción 3 [K. Palorsky, "The self-imaging phenomenon and its applications," Progress in Optics 27 1-108 (1989)]. Si;[ es la longitud de onda media del haz de luz, y la red de difracción 3 modula su amplitud, las 25 diffraction net 3 [K. Palorsky, "The self-imaging phenomenon and its applications," Progress in Optics 27 1-108 (1989)]. If; [is the average wavelength of the light beam, and the diffraction network 3 modulates its amplitude, the
autoimágenes generadas se ubican a distancias de Talbot enteras o semienteras Zk = k p2 lA. siendo k un número entero. No obstante, es posible 30 encontrar auto imágenes a distancias distintas, aunque suelen presentar una amplitud menor. En la referencia [L.M. Sanchez-Brea, F.J. Torcal-Milla, J.M. Herrera-Fernandez, T. Morlanes, and E. Bernabeu "Self-imaging technique for beam collimation" Optics Letlers 39(19) 5764-5767 (2014)] se describe una técnica con la cual se puede medir el grado de colimación de un haz de luz 35 comparando el periodo de una red de difracción 3 con el periodo de una generated self-images are located at whole or half-Talbot Talbot distances Zk = k p2 lA. K being an integer. However, it is possible to find auto images at different distances, although they tend to have a smaller amplitude. In the reference [L.M. Sanchez-Brea, F.J. Torcal-Milla, J.M. Herrera-Fernandez, T. Morlanes, and E. Bernabeu "Self-imaging technique for beam collimation" Optics Letlers 39 (19) 5764-5767 (2014)] describes a technique with which the degree of collimation of a beam of light 35 comparing the period of a diffraction network 3 with the period of a
- auto imagen. Para ello, se requiere un conocimiento muy preciso del periodo self image For this, a very precise knowledge of the period is required
- de la red de difracción 3 y del periodo de la auto imagen. En la solución del of the diffraction network 3 and the period of the self image. In the solution of
- articulo de L.M. Sanchez-Brea y col. de 2014, se asume que el periodo de la article by L.M. Sanchez-Brea et al. of 2014, it is assumed that the period of
- red de difracción 3 es conocido. Las redes de difracción se pueden grabar diffraction net 3 is known. Diffraction networks can be recorded
- 5 5
- con precisiones muy pequeñas, del orden de 1 nanómetro, bajo condiciones with very small accuracies, of the order of 1 nanometer, under conditions
- muy controladas, mediante, por ejemplo, técnicas de haces de electrones. Sin very controlled, by, for example, electron beam techniques. Without
- embargo, para la realización práctica de un dispositivo no es posible However, for the practical realization of a device it is not possible
- mantener estas condiciones tan estrictas. Por ejemplo, cuando varía la Keep these conditions so strict. For example, when the
- temperatura ambiental , el periodo de la red de difracción 3 se puede ver ambient temperature, the period of diffraction network 3 can be seen
- 10 10
- modificado debido a dilataciones del substrato en el cual ha sido grabada. modified due to expansion of the substrate in which it has been recorded.
- También se requiere que las condiciones mecánicas del dispositivo sean muy It is also required that the mechanical conditions of the device be very
- estrictas, controlando de una forma muy precisa las tolerancias de posición y strict, very accurately controlling position tolerances and
- giro de los elementos ópticos del sistema . Por ejemplo, si la red de difracción rotation of the optical elements of the system. For example, if the diffraction network
- 3 está ligeramente rotada respecto de un sistema de fotodetección utilizado 3 is slightly rotated with respect to a photodetection system used
- IS IS
- para la medición, el periodo de la auto imagen observado se verá modificado. For the measurement, the period of the observed auto image will be modified.
- Esto hace que el procedimiento de medida descrito en el artículo científico de This makes the measurement procedure described in the scientific article of
- L.M . Sanchez-Brea y col. de 2014 no sea válido para un dispositivo que actúe L.M. Sanchez-Brea et al. 2014 is not valid for a device that acts
- en condiciones estándar. in standard conditions.
- En la presente invención, para determinar el grado de colimación de un haz In the present invention, to determine the degree of collimation of a beam
- 20 twenty
- de luz, se plantea, en primer lugar, comparar el periodo de, al menos , dos of light, it is proposed, first, to compare the period of at least two
- autoimágenes generadas por una red de difracción 3, y no como se propone self-images generated by a diffraction network 3, and not as proposed
- en el articulo [L.M. Sanchez-Brea, F.J. Torcal-Milla, J.M. Herrera-Fernandez, in the article [L.M. Sanchez-Brea, F.J. Torcal-Milla, J.M. Herrera-Fernandez,
- T. Morlanes, and E. Bernabeu "Self-imaging technique for beam collimation" T. Morlanes, and E. Bernabeu "Self-imaging technique for beam collimation"
- Optics Lelters 39(19) 5764-5767 (2014)J entre el periodo de la red de Optics Lelters 39 (19) 5764-5767 (2014) J between the period of the network of
- 2S 2S
- difracción 3 y una de sus autoimágenes. diffraction 3 and one of its self-images.
- Respecto a la medida del periodo de la autoimagen , en dicho articulo se Regarding the measurement of the period of the self-image, in said article
- plantea utilizar un array lineal de fotodetectores o una cámara bidimensional consider using a linear array of photodetectors or a two-dimensional camera
- para obtener los datos del experimento. Debido a que la medida de la to get the data of the experiment. Because the extent of the
- intensidad luminosa de las autoimágenes generadas / (x) suele ser bastante luminous intensity of the generated auto images / (x) is usually quite
- 30 30
- ruidosa se propone el uso de la función semivariograma para la medida del Noisy, the use of the semivariogram function is proposed for the measurement of
- periodo de las autoimágenes, definido como [LM Sanchez-Brea, FJ Torcalperiod of the self-images, defined as [LM Sanchez-Brea, FJ Torcal
- Milla, E Bernabeu "Variogram-based method for contrast measurement" Milla, E Bernabeu "Variogram-based method for contrast measurement"
- Applied Optics 46(22) 5027-5032 (2007)J Applied Optics 46 (22) 5027-5032 (2007) J
- y(h) = ~([l(x +h) -/(x)J2)x' (1)2 y (h) = ~ ([l (x + h) - / (x) J2) x '(1) 2
donde x es la posición central de los fotodetectores y (-) significa promedio espacial respecto de x. where x is the central position of the photodetectors and (-) means spatial average with respect to x.
En primer lugar, dado que el semivariograma de una función periódica también es periódico con el mismo periodo no hay variación en la medida del First, since the semivariogram of a periodic function is also periodic with the same period there is no variation in the measurement of
5 mismo. En segundo lugar, debido a que se calcula como promedios 5 same. Second, because it is calculated as averages
estadísticos espaciales, la función semivariograma es capaz de eliminar las spatial statistics, the semivariogram function is able to eliminate
I fluctuaciones aleatorias propias de las medidas de la intensidad y, por ello, se I I random fluctuations characteristic of intensity measurements and, therefore, I
1 puede calcular el periodo de la autoimagen con menor incertidumbre que si lo 1 can calculate the period of the self-image with less uncertainty than if
hiciéramos directamente a partir de las medidas de intensidad luminosa. En We made directly from the measurements of light intensity. In
~ ~
10 dicho articulo se calcula la posición de los primeros minimos del 10 said article calculates the position of the first minimum of the
semivariograma Y, a través de ellos, se realiza un ajuste lineal. Cuando la semivariogram And, through them, a linear adjustment is made. When the
calidad de la señal y del semivariograma es buena, como cuando se utiliza un Signal and semivariogram quality is good, as when using a
haz proveniente de un láser, esta técnica es aceptable. Sin embargo, en la beam from a laser, this technique is acceptable. However, in the
t presente invención se pretende determinar el grado de colimación paraThe present invention is intended to determine the degree of collimation for
t t
15 fuentes pa rcialmente coherentes espacial y/o temporalmente. Entonces, las 15 partially consistent sources spatially and / or temporarily. So the
autoimágenes pueden tener una menor calidad y verse afectadas por el ruido.Self-images may have lower quality and be affected by noise.
l, l,
Asi, con esta forma de medir el periodo no se obtienen los resultados de incertidumbre requeridos. Thus, with this way of measuring the period, the required uncertainty results are not obtained.
f F
! !
Para calcular el periodo del semivariograma, un aspecto de la presenteTo calculate the semivariogram period, an aspect of this
I I
20 invención se refiere a utilizar un ajuste por mínimos cuadrados a todo el I semivariograma , en lugar de solamente a la posición de los mínimos del The invention refers to using a least squares adjustment to the entire semivariogram, rather than just the position of the minimum of the
f semivariograma, como se hacia en el citado artículo cientifico. Esto permite tener un número mucho mayor de puntos para el ajuste y, por ello, el periodo f semivariogram, as was done in the cited scientific article. This allows to have a much greater number of points for the adjustment and, therefore, the period
se calcula menor incertidumbre. Less uncertainty is calculated.
I I
25 Otro aspecto de la invención se refiere a un método para colimar un haz de Another aspect of the invention relates to a method of collimating a beam of
! !
luz con precisión mediante la medida del periodo de, al menos, dos 1, autoimágenes generadas por una red de difracción 3. light accurately by measuring the period of at least two 1, self-images generated by a diffraction network 3.
En la Figura 1, se muestra un dispositivo optoelectrónico con el que se puede In Figure 1, an optoelectronic device is shown with which you can
tanto determinar el grado de colimación de un haz de luz como colimar un haz both determine the degree of collimation of a beam of light and collimate a beam
r 30 de luz, en ambos casos mediante la medida del periodo de dos autoimágenes r 30 of light, in both cases by measuring the period of two self-images
t t
I producidas por una red de difracción 3 cuyo periodo no es necesario conocer. El único requisito necesario es que dichas autoimágenes se produzcan a I produced by a diffraction network 3 whose period is not necessary to know. The only necessary requirement is that these self-images are produced at
distancias distintas. Sea un haz de luz con un grado de colimaciónDifferent distances Be a beam of light with a degree of collimation
! !
I l· desconocido, proveniente de una fuente de luz 1. Por ejemplo, dicho haz I I l · unknown, coming from a light source 1. For example, said beam I
35 puede provenir de un láser, un diodo láser, un LED u aIro tipo de fuenle de luz 35 may come from a laser, a laser diode, an LED or a type of light source
t. t.
1:one:
, ,
! !
con una determinada coherencia parcial espacial o temporal. Este haz se with a certain spatial or temporal partial coherence. This beam is
intenta colimar mediante un elemento de colimación 2 que puede ser una lente de una focal objeto f, un conjunto de lentes o un elemento óptico difractivo. Posteriormente, se ubica una red de d~racción 3 que produce 5 autoimágenes en semidistancias de Talbot Zk = k P' / A, donde k es un número entero. Si la fuente de iluminación 1 no está ubicada a una distancia f del elemento de colimación 2, sino que tiene un desplazamiento !!.z respecto a try to collimate using a collimation element 2 that can be a lens of a focal object f, a set of lenses or a diffractive optical element. Subsequently, a location network 3 is located that produces 5 self-images in Talbot's semi-distances Zk = k P '/ A, where k is an integer. If the lighting source 1 is not located at a distance f from the collimation element 2, but has a displacement !! z with respect to
I I
I este punto, el haz presenta una cierta convergencia o divergencia I this point, the beam presents a certain convergence or divergence
j' j '
dependiendo del signo de !!.Z. Este haz atraviesa la red de difracción 3. A una depending on the sign of !! Z. This beam crosses the diffraction net 3. At a
i 10 distancia z" entre la red de difracción 3 y el plano de observación donde se encuentra situado un sistema de fotodetección 4, se obtiene una distribución periódica de luz, donde el periodo viene determinado por i 10 distance z "between the diffraction network 3 and the observation plane where a photodetection system 4 is located, a periodic distribution of light is obtained, where the period is determined by
Pt.z = (1 +az, )p, (2)Pt.z = (1 + az,) p, (2)
¡ ¡¡
siendo " '" -!!.z/f '. La distancia z, puede ser la propia de una autoimagen, being "'" - !!. z / f'. The distance z, can be that of a self-image,
15 es decir, la semidistancia de Talbot Zk = k p2 / A, con k = 1,2, .. , etc., u otra 15 that is, the semi-distance of Talbot Zk = k p2 / A, with k = 1,2, .., etc., or other
distancia en la cual se produzca una modulación periódica de la cantidad luminosa. Si ubicamos dos sistemas de fotodetección 4 de las autoimágenes distance in which there is a periodic modulation of the light quantity. If we locate two photodetection systems 4 of the self-images
a distintas distancias Z2A Y Z2B . sobre cada uno de los sistemas deat different distances Z2A and Z2B. about each of the systems of
t ! fotodetección 4 se generarán autoimágenes cuyo periodo será PA y Pe, t 20 respectivamente. t ! photodetection 4 self-images will be generated whose period will be PA and Pe, t 20 respectively.
,I I A través de la medida del periodo de estas autoimágenes se puede I I Through the measurement of the period of these self-images you can
I determinar el grado de colimación de un haz de luz. No obstante, lasI determine the degree of collimation of a beam of light. However, the
! !
auto imágenes con intensidad luminosa ¡(x) normalmente presentanAuto images with light intensity ¡(x) normally present
! !
I fluctuaciones aleatorias debidas a efectos tales como suciedad, 25 ¡nhomogeneidades del haz luminoso, errores en la fabricación de las redes deI random fluctuations due to effects such as dirt, 25homogeneities of the light beam, errors in the manufacturing of the networks of
'. '.
difracción, etc. Es por ello que se utiliza la ecuación (1) para determinar el ! periodo de la autoimagen. diffraction, etc. That is why equation (1) is used to determine! Self-image period.
I I
Si se utiliza una cámara CCD, CMOS, o un array lineal de fotodetectores If a CCD camera, CMOS, or a linear array of photodetectors is used
como sistema de fotodetecci6n 4 para capturar la distribución de intensidad as a photodetection system 4 to capture the intensity distribution
r r
I 30 ¡(x), los pixeles están distribuidos de forma periódica. Por consiguiente, la f definición del semivariograma se puede simplificar de la siguiente forma i I 30¡ (x), the pixels are distributed periodically. Therefore, the definition of the semivariogram can be simplified as follows:
l' l '
l' l '
i,. i.
; • ; •
o.or.
'. '.
donde N es el número total de píxeles, l¡ = I(íflx) es la intensidad luminosa where N is the total number of pixels, l¡ = I (imflx) is the light intensity
del haz medida con el pixel i, y Ilx es la distancia entre pixeles. of the beam measured with the pixel i, and Ilx is the distance between pixels.
En la Figura 2a, se muestra como ejemplo un perfil de intensidad In Figure 2a, an intensity profile is shown as an example
experimental [(x) para una fuente de iluminación 1 LED cuya longitud de 5 onda media es 880 nanómetros y una red de difracción 3 cuyo periodo es 100 experimental [(x) for a lighting source 1 LED whose length of 5 medium wave is 880 nanometers and a diffraction network 3 whose period is 100
micrómetros. la autoimagen se mide a una distancia Zz = 22.72 milímetros micrometers the self-image is measured at a distance Zz = 22.72 millimeters
donde se sitúa el sistema de fotodetección 4. En la Figura 2b se muestra el semivariograma obtenido con la ecuación (3) para el ejemplo de la Figura 2a. Como se puede observar, aunque la distribución de intensidad luminosa [(x) where the photodetection system 4 is located. Figure 2b shows the semivariogram obtained with equation (3) for the example of Figure 2a. As can be seen, although the light intensity distribution [(x)
10 de la autoimagen no sea de gran calidad, el semivariograma es muy suave y sinusoidal. Desde el punto de vista teórico, el semivariograma de una función sinusoidal pura es también una función sinusoidal pura del mismo periodo. 10 of the self-image is not of great quality, the semivariogram is very smooth and sinusoidal. From a theoretical point of view, the semivariogram of a pure sine function is also a pure sine function of the same period.
Sin embargo, cuando la señal periódica tiene fluctuaciones, éstas se reflejan However, when the periodic signal has fluctuations, these are reflected
en la envolvente del semivariograma, no en su periodo. Por ello, para in the semivariogram envelope, not in its period. Therefore, for
15 determinar el periodo de forma precisa, se puede ajustar el semivariograma 15 determine the period accurately, the semivariogram can be adjusted
experimental a la siguiente función experimental to the next function
2y(h) = (a, +p,h +y,h' +8,h3)-(a, +p,h + y,h' +8,h3)cos (';h) , (4) 2y (h) = (a, + p, h + y, h '+ 8, h3) - (a, + p, h + y, h' + 8, h3) cos ('; h), (4)
donde se hace un ajuste polinómico a las envolventes superior e inferior. Con where a polynomial adjustment is made to the upper and lower envelopes. With
este ajuste, que se puede hacer mediante algoritmos de ajuste u this adjustment, which can be done using adjustment algorithms or
20 optimización , se obtiene el periodo p de la autoimagen. Una vez determinado 20 optimization, the period p of the self-image is obtained. Once determined
el periodo PA y PB de las dos autoimágenes mediante este procedimiento es the PA and PB period of the two self-images using this procedure is
posible calcular el grado de colimación del haz. Para ello, utilizamos la possible to calculate the degree of collimation of the beam. To do this, we use the
ecuación (2) para cada una de las distancias Z'A YZ,. Equation (2) for each of the distances Z'A YZ ,.
P. = (1 + az,.)p, (5) 25 P. = (1 +az,.)p. P. = (1 + az,.) P, (5) 25 P. = (1 + az,.) P.
Dividiendo ambas ecuaciones y despejando se determina el valor del grado Dividing both equations and clearing determines the value of the degree
de colimación a, of collimation to,
a= (6) a = (6)
También , se puede determinar que el haz de luz está colimado cuando el Also, it can be determined that the light beam is collimated when the
30 periodo de las dos autoimágenes, obtenido por los dos sistemas de fotodetección 4, es el mismo. The period of the two self-images, obtained by the two photodetection systems 4, is the same.
Asimismo, a partir de la definición de a, a ; -tlzj [ ', se puede determinar la distancia entre la fuente de luz 1 y el plano focal objeto del elemento de Also, from the definition of a, a; -tlzj [', you can determine the distance between the light source 1 and the focal plane object of the element of
colimación 2 , que resulta ser collimation 2, which turns out to be
PBZ2A-PAZ28 PBZ2A-PAZ28
5 Por lo tanto, un aspecto de la invención se refiere a un método para determinar el grado de colimación de un haz de luz aplicable independientemente del grado de coherencia y/o de la cromaticidad del haz, 5 Therefore, one aspect of the invention relates to a method for determining the degree of collimation of an applicable light beam regardless of the degree of coherence and / or the chromaticity of the beam,
así como de las condiciones ambientales en las que se encuentre inmerso, y as well as the environmental conditions in which you are immersed, and
es más robusto que otras opciones del estado de la técnica frente a it is more robust than other prior art options compared to
10 variaciones de las condiciones opto-mecánicas de la configuración para la 10 variations of the opto-mechanical conditions of the configuration for
implementación del mencionado método, El método comprende: implementation of the mentioned method, The method comprises:
a) hacer incidir el haz de luz sobre una red de difracción 3, a) make the light beam affect a diffraction network 3,
b) detectar, al menos, dos autoimágenes generadas por la red de difracción 3 b) detect at least two self-images generated by the diffraction network 3
del paso a), estando cada una de ellas a distinta distancia de Talbot, ZA *-ZB. from step a), each being at a different distance from Talbot, ZA * -ZB.
15 de dicha red de difracción 3, 15 of said diffraction network 3,
e) determinar los periodos PA y P. de las autoimágenes detectadas en el paso b) , e) determine the PA and P. periods of the self-images detected in step b),
d) calcular el grado de colimación del haz a mediante la ecuación d) calculate the degree of collimation of the beam a through the equation
a; to;
(6) (6)
20 El periodo P de la red de difracción 3 puede ser conocido o no, Además, la 20 The period P of the diffraction network 3 may or may not be known. In addition, the
red de difracción 3 puede actuar por reflexión o transmisión, lo que determina diffraction net 3 can act by reflection or transmission, which determines
que el haz se refleje en la red de difracción o se transmita a su traveso La red that the beam is reflected in the diffraction network or transmitted to its transverse network
de difracción 3 puede ser una red de Ronchi , que modula la amplitud, aunque también podria ser una red con una modulación sinusoidal u otro tipo de diffraction 3 can be a Ronchi network, which modulates the amplitude, although it could also be a network with a sinusoidal modulation or other type of
25 modulación de amplitud ylo fase. 25 amplitude modulation and phase.
La determinación de los periodos PA y PB de las autoimágenes puede The determination of the PA and PB periods of the self-images can
, realizarse mediante cualquier algoritmo de ajuste que permita una alta , be performed using any adjustment algorithm that allows high
I ! I!
resolución; preferentemente, se realiza mediante la técnica del ajuste del semivariograma a la función resolution; preferably, it is done using the semivariogram adjustment function technique
¡. , 30 2y(h) ; (a, + p,h + y,h' + li,h3) -(a, + p,h + y,h' + li,h3) cos(2rrhjp), (4) ! ¡. , 30 2y (h); (a, + p, h + y, h '+ li, h3) - (a, + p, h + y, h' + li, h3) cos (2rrhjp), (4) !
La invención también se refiere a un método para colimar un haz de luz. Este The invention also relates to a method of collimating a beam of light. This
! ! metodo comprende: ! ! method comprises:
,,
, ,
i i
l· l
0, 0,
a) hacer incidir el haz de luz que se desea colimar sobre un elemento colimador 2, a) make the light beam to collide on a collimating element 2,
b) hacer incidir el haz colimado en el paso a) sobre una red de difracción 3, b) make the collimated beam in step a) impact on a diffraction net 3,
e) detectar, al menos, dos autoimágenes generadas por la red de difracción 3 del paso b) a, al menos, dos distancias distintas de Talbot, ZA , Z8' de dicha red de difracción 3, e) detecting at least two auto-images generated by the diffraction network 3 of step b) at least two different distances from Talbot, ZA, Z8 'of said diffraction network 3,
d) modificar la distancia entre la fuente de luz 1 y el elemento colimador 2 mediante el desplazamiento de la fuente de luz 1 ylo del elemento colimador 2 a lo largo del eje óptico, y repetir el paso e) hasta que los periodos PA y Pe de las autoimágenes sean iguales. d) modify the distance between the light source 1 and the collimator element 2 by moving the light source 1 and that of the collimator element 2 along the optical axis, and repeat step e) until periods PA and Pe of the self images are the same.
Para obtener esta posición de forma precisa, una opción es determinar la To obtain this position accurately, one option is to determine the
intersección de los ajustes lineales a mínimos cuadrados obtenidos mediante intersection of linear adjustments to least squares obtained by
un barrido de las medidas de los periodos de las autoimágenes al mover la fuente de luz 1 ylo el elemento colimador 2 a lo largo del eje óptico, siguiendo a scan of the measurements of the periods of the self-images when moving the light source 1 and the collimating element 2 along the optical axis, following
los siguientes pasos: the following steps:
i) Realizar un ajuste por mínimos cuadrados a cada una de las expresiones i) Make an adjustment for least squares to each of the expressions
PA = (1 + aZ2A)P, (S) PA = (1 + aZ2A) P, (S)
Pe = (1 + aZ,e)P· Pe = (1 + aZ, e) P ·
ii) Determinar la intersección de los ajustes realizados en i). ii) Determine the intersection of the adjustments made in i).
Otra opción es calcular P. = IPAPe/(PA -PB)I Y desplazar la fuente de luz 1 ylo el elemento colimador 2 a lo largo del eje óptico hasta que P. tienda a Another option is to calculate P. = IPAPe / (PA -PB) I and move the light source 1 and the collimating element 2 along the optical axis until P. tends to
Una tercera opción para determinar cuándo PA = PB, en el caso de que se A third option to determine when PA = PB, in the case that
produzcan franjas de Vernier, es desplazar la fuente de luz 1 ylo el elemento produce Vernier stripes, is to shift the light source 1 and the element
de colimación 2 hasta que visualmente desaparezca el patrón de franjas de Vernier. Collimation 2 until the Vernier stripe pattern visually disappears.
El elemento de colimación 2 puede ser una lente, un conjunto de lentes o un The collimation element 2 can be a lens, a set of lenses or a
elemento óptico difractivo o un híbrido difracto-refractivo. diffractive optical element or a diffracto-refractive hybrid.
El periodo P de la red de difracción 3 puede ser conocido o no. Además, la red de difracción 3 puede actuar por reflexión o transmisión, lo que determina The period P of the diffraction network 3 may or may not be known. In addition, the diffraction network 3 can act by reflection or transmission, which determines
que el haz se refleje en la red de difracción o se transmita a su través. La red that the beam is reflected in the diffraction network or transmitted through it. The net
, ,
, ,
, ,
de difracción 3 puede ser una red de Ronchi que modula la amplitud , aunque también podria ser una red con una modulación sinusoidal u otro tipo de modulación de amplitud y/o fase. Diffraction 3 can be a Ronchi network that modulates the amplitude, although it could also be a network with a sinusoidal modulation or other type of amplitude and / or phase modulation.
La determinación de los periodos p, y P. de las autoimágenes puede realizarse mediante cualquier algoritmo de ajuste que permita una baja The determination of the p, and P. periods of the self-images can be carried out using any adjustment algorithm that allows a low
incertidumbre; preferentemente. se realiza mediante la técnica del ajuste del semivariograma a la función uncertainty; preferably. It is done using the semivariogram adjustment function technique
2y(h) = (a, + P,h + y,h' + 8,h' ) -(a, + p,h + y,h' + 8,h') cos(2rrh/ p) , (4) 2y (h) = (a, + P, h + y, h '+ 8, h') - (a, + p, h + y, h '+ 8, h') cos (2rrh / p), ( 4)
En la Figura 2 se muestra un ejemplo de la obtención del punto de colimación mediante la determinación de la intersección de los ajustes realizados en ii}. An example of obtaining the collimation point by determining the intersection of the adjustments made in ii} is shown in Figure 2.
Para poder medir el periodo de dos auto imágenes generadas por una red de difracción 3 y generar un haz colimado de acuerdo con los métodos descritos, la presente invención se refiere también a varios dispositivos optoelectrónicos In order to be able to measure the period of two auto images generated by a diffraction network 3 and generate a collimated beam according to the described methods, the present invention also relates to several optoelectronic devices
diseñados con este fin. En todos ellos, para crear un dispositivo colimador, se designed for this purpose. In all of them, to create a collimator device, you
añade al dispositivo un elemento de colimación 2 entre la fuente de luz 1 y la red de difracción 3. El elemento de colimación 2 puede ser una lente de una add to the device a collimation element 2 between the light source 1 and the diffraction network 3. The collimation element 2 can be a lens of a
Para determinar el grado de colimación de un haz de luz, un primer dispositivo optoelectrónico se representa esquemáticamente en la Figura 1 e incluye: To determine the degree of collimation of a light beam, a first optoelectronic device is schematically represented in Figure 1 and includes:
- --
- una red de difracción 3 de periodo p, que puede o no ser conocido, que está situada en el eje óptico del dispositivo y que genera autoimágenes, a diffraction network 3 of period p, which may or may not be known, which is located on the optical axis of the device and which generates self-images,
- --
- al menos, dos sistemas de fotodetecci6n 4, que pueden ser arrays lineales de fotodetectores, cámaras CCD o cámaras CMOS, que se encuentran at least two photodetection systems 4, which can be linear arrays of photodetectors, CCD cameras or CMOS cameras, which are located
ubicados fuera del eje óptico y a distancias diferentes Z2A Y Z2B con respecto a located outside the optical axis and at different distances Z2A and Z2B with respect to
la red de difracción 3, donde se hallan dos autoimágenes, the diffraction network 3, where two self-images are found,
- --
- un dispositivo electrónico 5 de procesamiento de las seflales recibidas por los sistemas de fotodetección 4 para la obtención de los periodos p, y P. y, en el caso de que el dispositivo optoelectrónico se utilice para colimar un haz de luz, para la monitorización de la distancia !J.z. an electronic device 5 for processing the signals received by the photodetection systems 4 for obtaining the periods p, and P. and, in the case that the optoelectronic device is used to collimate a light beam, for the monitoring of the distance! Jz
La Figura 1a es una vista en perspectiva y la Figura 1b es una vista lateral. Se muestran los sistemas de fotodetección 4 y el dispositivo electrónico de procesamiento de las auto imágenes 5 separados para una mejor Figure 1a is a perspective view and Figure 1b is a side view. The photodetection systems 4 and the electronic processing device of the separated auto images 5 are shown for better
- comprensión pero, en este dispositivo, al menos uno de los sistemas de understanding but, in this device, at least one of the systems of
- fotodetección 4 podria ir pegado al dispositivo electrónico de procesamiento Photodetection 4 could be attached to the electronic processing device
- de las autoimágenes 5. of the self-images 5.
- Un segundo dispositivo optoelectrónico está representado en la Figura Figura A second optoelectronic device is represented in Figure Figure
- S S
- 4. En este caso, se incluye en el eje óptico un divisor de haz 6, entre la red de 4. In this case, a beam splitter 6 is included in the optical axis between the network of
- difracción 3 y dos sistemas de fotodetección 4, de manera que los dos diffraction 3 and two photodetection systems 4, so that the two
- sistemas de fotodetección 4 están situados a la salida del divisor de haz 6, photodetection systems 4 are located at the output of beam splitter 6,
- uno situado en el eje óptico del dispositivo y el otro en el eje perpendicular al one located on the optical axis of the device and the other on the axis perpendicular to the
- mismo, pudiendo medir la misma zona de la red de difracción 3. Colocando same, being able to measure the same area of the diffraction net 3. By placing
- 10 10
- los dos sistemas de fotodetección 4 a diferentes distancias, tomando como the two photodetection systems 4 at different distances, taking as
- origen la red de difracción 3, se obtienen dos autoimágenes a partir de una origin of the diffraction network 3, two self-images are obtained from one
- única zona de la red de difracción 3. Se muestra los sistemas de single area of the diffraction network 3. It shows the systems of
- fotodetección 4 y el dispositivo electrónico de procesamiento de las photodetection 4 and the electronic device for processing
- autoimágenes 5 separados para una mejor comprensión pero, en este 5 separate images for a better understanding but, in this
- IS IS
- dispositivo, al menos uno de los sistemas de fotodetección 4 podria ir pegado device, at least one of the photodetection systems 4 could be attached
- al dispositivo electrónico de procesamiento de las autoimágenes S. to the electronic processing device of the self-images S.
- Un tercer dispositivo optoelectrónico incluye dos espejos 7 situados a la A third optoelectronic device includes two mirrors 7 located at the
- salida del divisor de haz 6, uno situado en el eje óptico del dispositivo y el otro output of beam splitter 6, one located on the optical axis of the device and the other
- perpendicular al mismo, con la cara espejada orientada hacia el divisor de perpendicular to it, with the mirrored face facing the divider of
- 20 twenty
- haz 6 de manera que los dos espejos 7 redirigen la luz hasta un único make 6 so that the two mirrors 7 redirect the light to a single
- sistema de fotodetección 4, como se aprecia en la Figura 5Figura 5. Cada photodetection system 4, as shown in Figure 5 Figure 5. Each
- uno de los dos espejos 7 incluye sobre su cara espejada una máscara 8 de one of the two mirrors 7 includes on its mirrored face a mask 8 of
- un material opaco y antirrefiectante que bloquea parte del haz de tal forma an opaque and anti-reflective material that blocks part of the beam in such a way
- que las autoimágenes no solapen. that the self-images do not overlap.
- 25 25
- Una variación particular con respecto al tercer dispositivo optoelectrónico se A particular variation with respect to the third optoelectronic device is
- refiere a un cuarto dispositivo, mostrado en la Figura Figura 6a , que incluye refers to a fourth device, shown in Figure Figure 6a, which includes
- dos espejos 7 pero, en este caso, sin máscaras opacas antirreflectantes. two mirrors 7 but, in this case, without opaque anti-reflective masks.
- Estos espejos redirigen la luz hasta un único sistema de fotodetección 4 These mirrors redirect the light to a single photodetection system 4
- donde las dos auto imágenes se sotapan. Si se utilizan fuentes de luz que no where the two auto images sotapan. If light sources are used that are not
- 30 30
- tienen un alto grado de coherencia, no se producen interferencias entre las they have a high degree of coherence, there is no interference between
- dos imágenes sino que se solapan, produciéndose un nuevo patrón de franjas two images but overlap, producing a new pattern of stripes
- conocido como patrón de franjas de Vernier (Figura Figura 6b). En este caso, known as the Vernier stripe pattern (Figure Figure 6b). In this case,
- el periodo del patrón de las franjas de Vernier es mucho mayor que el periodo the period of the Vernier stripe pattern is much longer than the period
- de las autoimágenes situadas en ZA Y zB ' que tienen un periodo simitar al of the self-images located in ZA and zB 'that have a period similar to
- 3S 3S
- periodo de la red de difracción 3 que las genera. Por ello , se determina la period of the diffraction network 3 that generates them. Therefore, the
- posición de colimación del haz incrementando notablemente la precisión. En collimation position of the beam significantly increasing accuracy. In
- 13 13
este caso, el disposijivo es útil para colimar un haz de luz, bien mediante la ecuación Pv = IPAPB / (PA -PB)I, o bien de forma visual. In this case, the device is useful for collimating a beam of light, either through the equation Pv = IPAPB / (PA -PB) I, or visually.
Un quinto dispositivo optoelectrónico está representado en la Figura Figura 7 A fifth optoelectronic device is represented in Figure Figure 7
y está formado por una red de difracción 3, un sistema de fotodetección 4 y un dispositivo electrónico 5 de procesamiento de las autoimágenes generadas por la red de difracción 3 y de comparación de los periodos PA y PB' En este caso, el sistema de fotodetección 4 está inclinado con respecto al eje óptico del dispositivo un ángulo 8, de manera que se obtienen múltiples autoimágenes de las que se eligen, al menos, dos para medir el grado de colimación del haz de luz procedente de la fuente de iluminación 1, de acuerdo con el método de la invención. El ángulo 8 puede ser de 45" ± 30". and is formed by a diffraction network 3, a photodetection system 4 and an electronic device 5 for processing the self-images generated by the diffraction network 3 and comparing the periods PA and PB 'In this case, the photodetection system 4 an angle 8 is inclined with respect to the optical axis of the device, so that multiple self-images are obtained from which at least two are chosen to measure the degree of collimation of the light beam from the light source 1, of according to the method of the invention. The angle 8 can be 45 "± 30".
los sistemas de fotodetección 4 pueden ubicarse en una cámara con photodetection systems 4 can be located in a camera with
distribución bidimensional, como pueden ser una cámara CMOS o una cámara CCD. Two-dimensional distribution, such as a CMOS camera or a CCD camera.
Por otro lado, como dispositivo electrónico 5 de procesamiento de datos se puede emplear una placa electrónica, un microprocesador o un ordenador. On the other hand, as an electronic data processing device 5 an electronic board, a microprocessor or a computer can be used.
Breve descripción de las figuras Brief description of the figures
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las caracteristicas de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en To complement the description that is being made and in order to help a better understanding of the characteristics of the invention, a set of drawings is accompanied as an integral part of said description.
donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente: where, for illustrative and non-limiting purposes, the following has been represented:
Figura 1. Muestra, de forma esquemática, la configuración básica de uno de los dispositivos optoelectrónicos de la invención y la distribución de los Figure 1. Schematically shows the basic configuration of one of the optoelectronic devices of the invention and the distribution of the
diferentes componentes: 1 fuente de luz, 2 elemento de colimación que, en este caso, es una lente, 3 red de difracción, 4 sistema de fotodetección que puede ser un array lineal de fotodetectores, una cámara CCD o CMOS, different components: 1 light source, 2 collimation element which, in this case, is a lens, 3 diffraction network, 4 photodetection system that can be a linear array of photodetectors, a CCD or CMOS camera,
presentándose en esta configuración dos sistemas de fotodetección ubicados a distancias de Talbat ZZA Y 228. respectivamente, siendo ZZA *" 228, 5 presenting in this configuration two photodetection systems located at distances from Talbat ZZA and 228. respectively, ZZA * "228, 5
dispositivo electrónico de procesamiento de las autoimágenes y comparación de los periodos PA y PB' electronic device for processing the self-images and comparing the PA and PB periods
Figura 2. (a) Muestra un ejemplo de perfil de intensidad experimental ¡(x) obtenido con una red de difracción 3 de periodo P = 100 micrómetros medido a una distancia z, de 22.72 mili metros, donde se sitúa un sistema de fotodetección 4. (b) Muestra un ejemplo de semivariograma obtenido para la senal de la Figura 2a (linea discontinua) y ajuste de dicho semivariograma a la función descrita en la ecuación (4) (linea continua). Figure 2. (a) Shows an example of experimental intensity profile ¡(x) obtained with a diffraction network 3 of period P = 100 micrometers measured at a distance z of 22.72 milli meters, where a photodetection system 4 is located (b) It shows an example of a semivariogram obtained for the signal of Figure 2a (dashed line) and adjustment of said semivariogram to the function described in equation (4) (continuous line).
Figura 3. Cálculo experimental del periodo de las auto imágenes según el 5 Ejemplo 8, mediante la técnica descrita en la ecuación (5). Figure 3. Experimental calculation of the period of the auto images according to Example 8, using the technique described in equation (5).
Figura 4. Muestra, de forma esquemática, la configuración de un dispositivo Figure 4. Shows, schematically, the configuration of a device
de la invención en el que se utiliza un divisor de haz 6. Figura 5Figura 5. of the invention in which a beam splitter is used 6. Figure 5 Figure 5.
Muestra, de forma esquemática, la configuración de un dispositivo de la invención en el que se utilizan dos espejos 7 a la salida de un divisor de haz 10 6, un espejo situado en el eje óptico y el otro espejo situado perpendicularmente al eje óptico, con la cara espejada orientada hacia el It shows, schematically, the configuration of a device of the invention in which two mirrors 7 are used at the exit of a beam splitter 10 6, a mirror located on the optical axis and the other mirror located perpendicular to the optical axis, with the mirrored face facing the
divisor de haz 6, de forma que los espejos redirigen la luz hasta un sistema beam splitter 6, so that the mirrors redirect the light to a system
de fotodetección 4 compuesto por dos o más arrays lineales de fotodetectores pertenecientes, por ejemplo, a una cámara CMOS. of photodetection 4 composed of two or more linear arrays of photodetectors belonging, for example, to a CMOS camera.
15 Figura 6. (a) Muestra de forma esquemática la configuración de un dispositivo de la invención en el que se utilizan dos espejos 7, sin máscaras opacas y antirreflectantes, de forma que redirigen la luz hasta un sistema de Figure 6. (a) Schematically shows the configuration of a device of the invention in which two mirrors 7 are used, without opaque and anti-reflective masks, so that they redirect the light to a system of
fotodetección 4 compuesto por dos o varios arrays lineales de fotodetectores photodetection 4 composed of two or several linear photodetector arrays
pertenecientes. por ejemplo, a una cámara CMOS. (b) Ejemplo de patrón de 20 franjas de Vernier entre la distribución de intensidad superpuesta proveniente belonging. for example, to a CMOS camera. (b) Example of Vernier's 20-stripe pattern among the distribution of superimposed intensity from
de los dos espejos 7 cuando el periodo de las autoimágenes es diferente. of the two mirrors 7 when the period of the self-images is different.
Figura 7. Muestra, de forma esquemática, la configuración de un dispositivo de la invención en el que se utiliza un sistema de fotodetección 4, formado por varios arrays lineales de fotodetectores o un array bidimensional de 25 fotodetectores pertenecientes, por ejemplo, a una cámara CMOS, cuya característica principal es que está inclinado un cierto ángulo 9 respecto al eje Figure 7. Schematically shows the configuration of a device of the invention in which a photodetection system 4 is used, consisting of several linear arrays of photodetectors or a two-dimensional array of 25 photodetectors belonging, for example, to a camera CMOS, whose main characteristic is that a certain angle 9 is inclined with respect to the axis
óptico definido por la propagación del haz de luz desde la fuente 1 hacia la optical defined by the propagation of the light beam from source 1 to the
red de difracción 3. diffraction net 3.
Modo de realización de la invención Embodiment of the invention
30 Una vez definida la geometría del sistema y el proceso de rnedida, a continuación se presentan ejemplos de dispositivos optoelectrónicos para medir el grado de colimación de un haz o colimar el haz y ejemplos de ambos métodos. 30 Once the system geometry and yield process have been defined, examples of optoelectronic devices to measure the degree of collimation of a beam or collimate the beam and examples of both methods are presented below.
- La invención no está limitada a las realizaciones concretas que se describen, The invention is not limited to the specific embodiments described,
- sino que abarca también, por ejemplo, las variantes que pueden ser but also covers, for example, the variants that can be
- realizadas por el experto medio en la materia (por ejemplo. en cuanto a la carried out by the average expert in the field (for example. in terms of
- elección de materiales, dimensiones, distancias , componentes, choice of materials, dimensions, distances, components,
- S S
- configuraciones, etc.). settings, etc.)
- En particular, si bien las realizaciones preferentes de la invención están In particular, although preferred embodiments of the invention are
- descritas para algunos sistemas concretos de fotodetección , elementos de described for some specific photodetection systems, elements of
- colimación, reflexión y división del haz, y generación de autoimágenes, los collimation, reflection and division of the beam, and generation of self-images, the
- métodos y sistemas descritos pueden ser aplicados con otros sistemas o methods and systems described can be applied with other systems or
- 10 10
- elementos que cumplan la misma función . No existen , por lo tanto, elements that fulfill the same function. They do not exist, therefore,
- limitaciones inherentes a la invención en cuanto a la medida y análisis de las limitations inherent to the invention regarding the measurement and analysis of
- autoimágenes, el número de autoimágenes, el elemento de colimación self-images, the number of self-images, the element of collimation
- utilizado y su número, el elemento generador de autoimágenes, su número, y used and its number, the auto image generator element, its number, and
- sus caracterlsticas, el número de elementos reflexivos y divisores del haz así its characteristics, the number of reflective elements and beam splitters as well
- 1S 1S
- como bloqueadores del mismo y sus características, las longitudes de onda as blockers thereof and their characteristics, wavelengths
- utilizadas así como el tipo y carac!erlsticas del haz y/o la fuente luminosa. used as well as the type and characteristics of the beam and / or the light source.
- Ejemplo 1 Se fabricaron un dispositivo optoelectrónico para colimar y un Example 1 An optoelectronic collimating device and an
- dispositivo optoelectrónico para determinar el grado de colimación de una optoelectronic device to determine the degree of collimation of a
- 20 twenty
- fuente luminosa 1 LED (modelo HE8807SG de Hitachi) de longitud de onda 1 LED light source (Hitachi model HE8807SG) wavelength
- centrada en A= 880 nanómetros. Como elemento de colimación 2, se incluyó centered on A = 880 nanometers. As collimation element 2, it was included
- un elemento óptico difractivo (DOE, del inglés diffraclive oplica/ e/emenl) a diffractive optical element (DOE, from English diffraclive oplica / e / emenl)
- conocido como lente de Fresnel cuya distancia focal es f = 35 milimetros y known as Fresnel lens whose focal length is f = 35 millimeters and
- de diámetro d = 20 milímetros fabricada mediante fotolitografía, en el caso of diameter d = 20 mm manufactured by photolithography, in the case
- 2S 2S
- del dispositivo para colimar. En ambos casos, el dispositivo incluía una red de of the collimating device. In both cases, the device included a network of
- difracción 3 de periodo p = 110 micrómetros fabricada en cromo sobre un diffraction 3 of period p = 110 micrometers manufactured in chrome on a
- sustrato de vidrio. Como sistema de fotodetección 4, se utilizaron dos arrays glass substrate As a photodetection system 4, two arrays were used
- lineales pertenecientes a dos cámaras bidimensionales CMOS de la marca linear belonging to two CMOS two-dimensional cameras of the brand
- Imaging Source, modelo DMK 72BUC02, de tamaño de píxel 2.2 x 2.2 Imaging Source, model DMK 72BUC02, pixel size 2.2 x 2.2
- 30 30
- micrómetros y una resolución de 2592 x 1944 píxeles. Estas cámaras se micrometers and a resolution of 2592 x 1944 pixels. These cameras are
- ubicaron en el mismo plano que la red de difracción 3, perpendiculares a la located in the same plane as the diffraction network 3, perpendicular to the
- propagación del haz de luz, fuera del eje óptico y a dos distancias de Talbot light beam propagation, outside the optical axis and two distances from Talbot
- distintas, Z' A =2p'/A =27.50 milimetros y Z'B =p'/A =13.75 milimetros, different, Z 'A = 2p' / A = 27.50 millimeters and Z'B = p '/ A = 13.75 millimeters,
- lomando como origen la red de difracción 3. Para el análisis numérico, se by originating the diffraction network 3. For numerical analysis,
- 35 35
- utilizó un programa informático ejecutado en un ordenador que actuaba como he used a computer program running on a computer that acted as
- elemento de procesamiento de datos 5. Un esquema de ambos dispositivos data processing element 5. An outline of both devices
se muestra en las Figuras 1 a y 1b, en vista horizontal y transversal, respectivamente; el dispositivo para colimar incluye el elemento colimador 2, it is shown in Figures 1 a and 1b, in horizontal and transverse view, respectively; The collimating device includes the collimating element 2,
mientras que el dispositivo para medir el grado de colimación no lo incluye. while the device to measure the degree of collimation does not include it.
Ejemplo 2. La Figura 4 muestra un segundo ejemplo. Se fabricaron un dispositivo optoelectrónico para colimar y un dispositivo optoelectrónico para Example 2. Figure 4 shows a second example. An optoelectronic collimating device and an optoelectronic device were manufactured for
detenninar el grado de colimación para haces de menor tamaño que con el determine the degree of collimation for smaller beams than with the
dispositivo descrito en el Ejemplo 1. Como red de difracción 3 se utilizó una red de periodo p = 100 micrómetros fabricada en cromo sobre vidrio. Como elemento de colimación 2, se incluyó una lente de focal f = 40 milimetros y de diámetro d = 20 milimetros de la marca Melles Griot, en el caso del dispositivo para colimar. Tomando como base los dispositivos del Ejemplo 1, se incluyó un cubo divisor de haz 6 entre la red de difracción 3 y el sistema de fotodetección 4, situándolo en el eje óptico. Se utilizó un cubo divisor de haz 6 device described in Example 1. As a diffraction net 3, a network of period p = 100 micrometers made of chromium on glass was used. As collimation element 2, a focal lens f = 40 millimeters and diameter d = 20 millimeters of the Melles Griot brand was included, in the case of the collimating device. Based on the devices of Example 1, a beam splitter cube 6 was included between the diffraction network 3 and the photodetection system 4, placing it on the optical axis. A 6 beam splitter cube was used
de substrato N-BK7, no polarizado, con tratamiento antirreflectante, formado N-BK7 substrate, non-polarized, with anti-reflective treatment, formed
por dos prismas de ángulo recto unidos por la hipotenusa, de la marca TECHSPEC", modelo 10 mm NIR, de dimensiones 10 x 10 x 10 milímetros, tal y como muestra la Figura 4. El divisor de haz 6 divide la amplitud del haz incidente en dos haces que viajan por dos direcciones perpendiculares entre si. De esta forma, los dos sistemas de fotodetección 4 se colocaron en el eje óptico en las distancias Talbot Z'A =5p'/ A = 56.81 milímetros y Z'8 = 2p'/A = 22.72 milímetros, tomando como origen la red de difracción 3 yen by two right angle prisms connected by the hypotenuse, of the TECHSPEC brand ", model 10 mm NIR, of dimensions 10 x 10 x 10 mm, as shown in Figure 4. Beam splitter 6 divides the amplitude of the incident beam in two beams that travel in two directions perpendicular to each other, thus the two photodetection systems 4 were placed on the optical axis at Talbot distances Z'A = 5p '/ A = 56.81 mm and Z'8 = 2p' / A = 22.72 millimeters, taking as origin the diffraction net 3 yen
planos perpendiculares entre sí. Con esta disposición, se añade la ventaja de perpendicular planes to each other. With this provision, the advantage of
captar la señal de la misma zona de la red de difracción 3. pick up the signal from the same area of the diffraction network 3.
Ejemplo 3. La Figura 5 muestra un tercer ejemplo de dispositivos Example 3. Figure 5 shows a third example of devices
optoelectrónicos para situaciones en las que el número de fotosensores es optoelectronics for situations in which the number of photosensors is
limitado. En particular, se fabricaron un dispositivo para colimar y un limited. In particular, a collimating device and a
dispositivo para determinar el grado de colimación en los que se requiere un único sistema de fotodetección 4. Para ello, se tomaron como base los device to determine the degree of collimation in which a single photodetection system 4 is required. To do this, the basis of
dispositivos del Ejemplo 2; se incluyeron en el eje óptico dos espejos 7 de primera superficie ,\/4 de 25 x 25 milímetros cuadrados, de superficie de devices of Example 2; two mirrors 7 of first surface, / 4 of 25 x 25 square millimeters, of surface area were included in the optical axis
aluminio mejorado, a las distancias Z2A = Sp2/2J.. = 27.90 milímetros y Z28 = improved aluminum, at distances Z2A = Sp2 / 2J .. = 27.90 mm and Z28 =
2p'/2,\ = 11.36 milímetros, tomando como origen la red de difracción 3, en planos perpendiculares entre sí y con la cara espejada orientada hacia el divisor de haz 6, de forma que redirigen la luz hasta un único sistema de fotodetección 4 que, en este caso, es una cámara bidimensional CMOS, de la marca Imaging Source, modelo DMK 72BUC02, de tamaño de pixel 2.2 x 2.2 micrómetros y con una resolución de 2592 x 1944 pixeles. De esta forma, se utiliza un único sistema de fotodetección 4 en lugar de dos. Además, en cada espejo 7, se colocó una lámina adhesiva de cartulina negra, opaca y mate, de 25 x 12.5 milímetros cuadrados de superficie, alineada con el perimetro del 2p '/ 2, \ = 11.36 millimeters, taking as origin the diffraction network 3, in planes perpendicular to each other and with the mirrored face facing the beam splitter 6, so that they redirect the light to a single photodetection system 4 which, in this case, is a two-dimensional CMOS camera, of the Imaging Source brand, model DMK 72BUC02, of 2.2 x 2.2 micrometer pixel size and with a resolution of 2592 x 1944 pixels. In this way, a single photodetection system 4 is used instead of two. In addition, in each mirror 7, an opaque and matte black cardboard adhesive sheet of 25 x 12.5 square millimeters of surface was placed, aligned with the perimeter of the
espejo, como máscara opaca y antirreflectante 8, de forma que las mirror, as an opaque and anti-reflective mask 8, so that the
autoimágenes no solaparan. Se muestra el sistema de fotodetección 4 y el Self-images do not overlap. The photodetection system 4 and the
dispositivo electrónico de procesamiento de las autoimágenes 5 separados electronic device for processing of separate 5 auto images
para una mejor comprensión, pero en este dispositivo podrian ir pegados. for a better understanding, but in this device they could go stuck.
Ejemplo 4. La Figura 6a muestra un cuarto ejemplo de dispositivo optoelectrónico para situaciones en las que se requiere una precisión en la medida aún mayor. En particular, se fabricó un dispositivo para colimar y un Example 4. Figure 6a shows a fourth example of an optoelectronic device for situations where even greater measurement accuracy is required. In particular, a collimating device and a
dispositivo para determinar el grado de colimación basado en el dispositivo del Ejemplo 3 donde los espejos 7 no incorporaron ninguna máscara opaca. device for determining the degree of collimation based on the device of Example 3 where the mirrors 7 did not incorporate any opaque mask.
Como elemento de colimación 2 se utilizó un sistema de lentes compuesto A composite lens system was used as collimation element 2
por dos lentes convergentes de la marca Melles Griot cuya distancia focal en by two converging lenses of the Melles Griot brand whose focal length in
ambos casos es f' = 60 milímetros y la separación entre ambas es 30 milímetros. Con esta disposición, las autoimágenes se solapan en el sistema both cases is f '= 60 millimeters and the separation between them is 30 millimeters. With this arrangement, the self-images overlap the system.
de folodetección 4 produciendo un patrón de franjas de Vernier cuyo tamaño es mayor que el periodo de las autoimágenes, por lo que la incertidumbre of folodetección 4 producing a pattern of Vernier stripes whose size is larger than the period of the self-images, so the uncertainty
cometida en su medición es menor. Un ejemplo de este patrón de franjas se Commitment in its measurement is smaller. An example of this fringe pattern is
muestra en la Figura Figura 6b. shown in Figure Figure 6b.
En la Figura 6a se muestra el sistema de fotodetección 4 y el dispositivo electrónico de procesamiento de las autoimágenes 5 separados para una mejor comprensión, pero en este dispositivo podrían ir pegados. Figure 6a shows the photodetection system 4 and the electronic processing device of the separated self-images 5 for a better understanding, but in this device they could be attached.
Ejemplo 5. La Figu ra 7 muestra un quinto ejemplo de dispositivo Example 5. Figure 7 shows a fifth example of a device
optoelectrónico para situaciones en las que el espacio disponible es limitado. Se fabricaron un dispositivo para colimar y un dispositivo para determinar el grado de colimación en el que se incluyó un único sistema de fotodetección 4. En este caso se utilizó una red de difracción fabricada en cromo sobre vidrio Optoelectronic for situations in which the available space is limited. A collimating device and a device for determining the degree of collimation were manufactured in which a single photodetection system 4 was included. In this case a diffraction net made of chrome on glass was used.
cuyo periodo es p = 20 micrómetros. Tras la red de difracción 3, y en el eje whose period is p = 20 micrometers. After diffraction net 3, and on the axis
- óptico, se colocó un sistema de fotodetección 4 inclinado 45° con respecto al optical, a photodetection system 4 inclined 45 ° with respect to the
- eje óptico del dispositivo. De esta forma, con un único sistema de optical axis of the device. In this way, with a single system of
- fotodetección 4, se pueden medir los periodos de varias autoimagenes. En Photodetection 4, the periods of several self-images can be measured. In
- este caso, se midieron los periodos de dos autoimágenes diferentes, en las In this case, the periods of two different self-images were measured in the
- S S
- filas superior e inferior del sistema de fotodetección 4. Las distancias Talbot upper and lower rows of the photodetection system 4. Talbot distances
- fueron Z'A = 4p' lA = 1.82 milimetros y Z'B = Sp'lA = 2.27 milimetros, were Z'A = 4p 'lA = 1.82 millimeters and Z'B = Sp'lA = 2.27 millimeters,
- tomando como origen la red de difracción 3. Como sistema de fotodetección 4 taking as origin the diffraction network 3. As a photodetection system 4
- se empleó la misma cámara de los Ejemplos 3 y 4. Se muestra el sistema de the same chamber of Examples 3 and 4 was used. The system of
- fotodetección 4 y el dispositivo electrOnico de procesamiento de las photodetection 4 and the electronic device for processing the
- 10 10
- autoimágenes 5 separados para una mejor comprensión, pero en este 5 separate images for better understanding, but in this
- dispositivo podrian ir pegados. device could go stuck.
- Ejemplo 6. Se determinO el grado de colimación de un haz utilizando los Example 6. The degree of collimation of a beam was determined using the
- dispositivos que se describen en los Ejemplos 1-3 y 5. Para ello, se hizo devices described in Examples 1-3 and 5. For this, it was made
- 15 fifteen
- pasar un haz de luz a través de cada uno de los dispositivos optoelectrónicos pass a beam of light through each of the optoelectronic devices
- descritos en el ejemplo correspondiente. Dado que el semivariograma de una described in the corresponding example. Since the semivariogram of a
- función periódica es a su vez periódico, se utilizó la función semivariograma Periodic function is in turn periodic, the semivariogram function was used
- para un array lineal de fatodiados, for a linear array of fatodiates,
- (3) (3)
- 20 twenty
- para suavizar la señal de las autoimagenes detectadas por los sistemas de to soften the signal of the autoimagenes detected by the systems of
- fotodetección 4 y aumentar la precisión de la medida de los periodos PA y PB' Photodetection 4 and increase the measurement accuracy of the PA and PB 'periods
- Los periodos se obtuvieron a través del ajuste de los semivariogramas Periods were obtained through semivariogram adjustment.
- correspondientes a la función corresponding to the function
- 2y(h) = (a, + Il¡h + y, h' + Ihh') {(a, + lJ,h + y,h' + o,h') COS C;h) j, (4) 2y (h) = (a, + Il¡h + y, h '+ Ihh') {(a, + lJ, h + y, h '+ o, h') COS C; h) j, (4)
- 2S 2S
- El grado de colimación a en cada posición de la fuente de luz 1 se obtuvo a The degree of collimation a at each position of the light source 1 was obtained at
- través de la expresión through expression
- Ilz = PB-PA [2 PBzZA PAZZB (7) Ilz = PB-PA [2 PBzZA PAZZB (7)
- ya que a ~ -MI!'. since a ~ -MI! '
- 30 30
- Ejemplo 7. Se colimó un haz luminoso cuyo emisor es una fuente de luz 1. Example 7. A light beam was collided whose emitter is a light source 1.
- Para ello se hizo pasar un haz de luz a través de cada uno de los dispositivos For this, a beam of light was passed through each of the devices
- descritos en los Ejemplos 1-3 y 5 que comprenden un elemento colimador 2 described in Examples 1-3 and 5 comprising a collimating element 2
situado en la posición anterior a una red de difracción 3 y en el eje óptico del sistema, tal y como se aprecia en las figuras en las que se representan los located in the position before a diffraction network 3 and in the optical axis of the system, as can be seen in the figures in which the
esquemas de los distintos dispositivos optoelectrónicos. Dado que el semívariograma de una función periódica es a su vez periódico, se utilizó la función semivariograma para un array lineal de fotodiodos, Schemes of the different optoelectronic devices. Since the semivariogram of a periodic function is in turn periodic, the semivariogram function was used for a linear array of photodiodes,
y(h = nL1x) = -() L7=-;n(I'+n _ 1,)', (3)y (h = nL1x) = - () L7 = -; n (I '+ n _ 1,)', (3)
2 N-n 2 N-n
para suavizar la señal de las auto imágenes detectadas por los sistemas de fotodetección 4 y aumentar la precisión de la medida de los periodos PA y PB' to soften the signal of the auto images detected by the photodetection systems 4 and increase the accuracy of the measurement of the periods PA and PB '
Estos se obtuvieron a través del ajuste de los semivariogramas correspondientes a la (unción These were obtained through the adjustment of the semivariograms corresponding to the (anointing
y(h) = (a, + P,h + y, h' +"lh') -{(a, + p,h + y,h' +",h') cos e:h ) j, (4) y (h) = (a, + P, h + y, h '+ "lh') - {(a, + p, h + y, h '+", h') cos e: h) j, ( 4)
A continuación se obtuvo la diferencia de periodos experimentales t1p = PB Then the difference of experimental periods t1p = PB was obtained
PA como punto de referencia y se desplazó la fuente de luz 1 en la dirección del eje óptico y en el sentido de decrecimiento de la diferencia monitorizando PA as a reference point and the light source 1 was shifted in the direction of the optical axis and in the direction of difference decrease monitoring
Ejemplo 8. Se colimó un haz luminoso cuyo emisor es una fuente de luz 1. Example 8. A light beam was collided whose emitter is a light source 1.
Para ello se hizo pasar un haz de luz a través de cada uno de los dispositivos descritos en los Ejemplos 1-3 y 5 que comprenden un elemento colimador 2 For this, a beam of light was passed through each of the devices described in Examples 1-3 and 5 comprising a collimating element 2
situado en la posición anterior a una red de difracción 3 y en el eje óptico del located in the position before a diffraction net 3 and in the optical axis of the
sistema, tal y como se aprecia en las figuras en las que se representan los system, as seen in the figures in which the
esquemas de los distintos dispositivos_ Dado que el semivariograma de una función periódica es a su vez periódico, se utilizó la función semivariograma para un array lineal de fotodiodos, schemes of the different devices_ Since the semivariogram of a periodic function is in turn periodic, the semivariogram function was used for a linear array of photodiodes,
y(h = n.1x) = -(1 )L7=-,nU'+n _1,)', (3)y (h = n.1x) = - (1) L7 = -, nU '+ n _1,)', (3)
2 N-n 2 N-n
para suavizar la señal de las autoimágenes detectadas por los sistemas de to soften the signal of the self-images detected by the systems of
fotodetección 4 y aumentar la precisión de la medida de los periodos PA y photodetection 4 and increase the measurement accuracy of the PA periods and
Ps-Estos se obtuvieron a través del ajuste de los semivariogramas correspondientes a la función Ps-These were obtained through the adjustment of the semivariograms corresponding to the function
y(h) = (a, + P, h + y,h' +"lh') -(a, + p,h + y,h' + ",h') cos e:h), (4) y (h) = (a, + P, h + y, h '+ "lh') - (a, + p, h + y, h '+", h') cos e: h), (4)
En la Figura 2a, se muestra un perfil de intensidad experimental medido en In Figure 2a, an experimental intensity profile measured in
ZZB" En la Figura 2b, se muestra el semivariograma obtenido con la ecuación ZZB "In Figure 2b, the semivariogram obtained with the equation is shown
(3) para el perfil de intensidad de la Figura 2a (linea continua). El periodo de la autoimagen se obtiene a partir de su ajuste a la ecuación (4) (linea (3) for the intensity profile of Figure 2a (solid line). The period of the self-image is obtained from its adjustment to equation (4) (line
5 discontinua). Mediante el dispositivo del ejemplo 2, se utilizaron dos arrays de fotodetectores 4 ubicados en Z2A = 5p'/4 = 56.81 milimetros y Z'B = 2p2/4 = 5 discontinuous). Using the device of example 2, two photodetector arrays 4 located at Z2A = 5p '/ 4 = 56.81 millimeters and Z'B = 2p2 / 4 = were used
22.72 milímetros para calcular el periodo de las autoimagenes a distintas distancias tJ.z entre la fuente de luz 1 y el elemento de colimación 2. Cuando 22.72 millimeters to calculate the period of the self-images at different distances tJ.z between the light source 1 and the collimation element 2. When
se produce la intersección de los ajustes lineales mediante la técnica de the intersection of the linear adjustments is produced by the technique of
10 mínimos cuadrados de las expresiones de la ecuación (5), el periodo coincide, se obtiene tJ.z = O y, por consiguiente, es la posición en la cual el 10 least squares of the expressions in equation (5), the period coincides, tJ.z = O is obtained and, therefore, is the position in which the
haz está colimado. El punto de colimación se obtiene en la intersección de los beam is collimated. The collimation point is obtained at the intersection of the
ajustes a minimos cuadrados de los periodos de ambas autoimagenes (Figura 3) que, en este ejemplo, fue Z = 27.7842 milimetros. adjustments to least squares of the periods of both autoimagenes (Figure 3) which, in this example, was Z = 27.7842 millimeters.
Ejemplo 9. Se colimó un haz luminoso cuyo emisor es una fuente de luz 1. Para ello se hizo pasar un haz de luz a través del dispositivo que se describe en el Ejemplo 4 y en la Figura 5a. Cuando las autoimagenes son incoherentes, la superposición es la suma de las intensidades, por lo que se 20 produjo un patrón de franjas de Vernier mostrado en la Figura 5b. El periodo Example 9. A light beam was collimated whose emitter is a light source 1. For this purpose a light beam was passed through the device described in Example 4 and in Figure 5a. When the self-images are inconsistent, the superposition is the sum of the intensities, so a Vernier stripe pattern shown in Figure 5b was produced. The term
de esta distribución periódica de intensidad se calculó mediante la ecuación of this periodic intensity distribution was calculated using the equation
Pv = IPAPB /(PA -PBll donde PA y PB son los periodos de las autoimagenes que se obtuvieron a las distancias Talbot Z'A = 5p' /24 = 27.90 milímetros y Z'B = 2p2/24 = 11.36 milimetros, respectivamente, tomando como origen la Pv = IPAPB / (PA -PBll where PA and PB are the periods of the autoimagenes that were obtained at Talbot distances Z'A = 5p '/ 24 = 27.90 millimeters and Z'B = 2p2 / 24 = 11.36 millimeters, respectively, taking as origin the
25 red de difracción 3. 25 diffraction net 3.
Dado que el patrón de franjas Vernier es periódico, y el semivariograma de Since the Vernier stripe pattern is periodic, and the semivariogram of
una función periódica es a su vez periódico, se utilizó la función semivariograma para un array lineal de fotodiodos, a periodic function is in turn periodic, the semivariogram function was used for a linear array of photodiodes,
y(h = nt.x) = -(' )L~~-,n(i"n -1,)', (3)y (h = nt.x) = - (') L ~~ -, n (i "n -1,)', (3)
30 para disminuir la incertidumbre en la medida de Pv' Se obtuvo el periodo Pv a través del ajuste del semivariograma a la función 30 to reduce uncertainty in the measurement of Pv 'The period Pv was obtained through the adjustment of the semivariogram to the function
y(h) = (a, + fi,h + y,h' + o,h3)-(a, + fi2h + y,h2+ o,h3)cos (';h). (4) y (h) = (a, + fi, h + y, h '+ o, h3) - (a, + fi2h + y, h2 + o, h3) cos ('; h). (4)
A continuación se desplazó la fuente de luz 1 en la dirección del eje óptico y en el sentido de incremento de P. hasta que PB ; PA, de manera que P. The light source 1 was then moved in the direction of the optical axis and in the direction of increasing P. until PB; PA, so that P.
visualmente desapareció y analíticamente su valor tendió a infinito. En este visually disappeared and analytically its value tended to infinity. In this
ejemplo, se cuenta con la ventaja de que el periodo de las franjas de los patrones de Vernier se puede medir con mayor facilidad que en los ejemplos anteriores al ser mayor el periodo de las franjas de los patrones de Vernier que el periodo de las autoimágenes de la red de difracción 3. For example, there is the advantage that the period of the stripes of the Vernier patterns can be measured more easily than in the previous examples as the period of the stripes of the Vernier patterns is greater than the period of the self-images of the diffraction net 3.
Claims (25)
- --
- una red de difracción 3, a diffraction network 3,
- --
- al menos, dos sistemas de fotodelección 4 ubicados a distintas distancias de la red de difracción 3, en planos paralelos al plano en el que está situada la at least two photodelection systems 4 located at different distances from the diffraction network 3, in planes parallel to the plane in which the
- --
- un dispositivo electrónico 5 de procesamiento de datos. an electronic device 5 for data processing.
- --
- una red de difracción 3, a diffraction network 3,
- --
- un divisor de haz 6 ubicado a continuación de la red de difracción 3 a lo a beam splitter 6 located next to the diffraction network 3 at
- --
- dos sistemas de fotodetección 4 ubicados en dos planos distintos, 25 perpendiculares entre sí y paralelos a dos caras del divisor de haz 6, y a two photodetection systems 4 located in two different planes, 25 perpendicular to each other and parallel to two faces of the beam splitter 6, and a
- --
- un dispositivo electrónico 5 de procesamiento de datos. an electronic device 5 for data processing.
- --
- una red de difracción 3, a diffraction network 3,
- --
- un divisor de haz 6 ubicado a continuación de la red de difracción 3 a lo largo del eje óptico del dispositivo, a beam splitter 6 located next to the diffraction network 3 along the optical axis of the device,
- --
- dos espejos 7 ubicados en dos planos distintos, perpendiculares entre sí y two mirrors 7 located in two different planes, perpendicular to each other and
- --
- un sistema de fotodetecci6n 4 ubicado en un plano paralelo a una cara del divisor de haz 6 distinta a las dos caras del divisor de haz 6 a las que son a photodetection system 4 located in a plane parallel to one face of the beam splitter 6 other than the two faces of the beam splitter 6 to which they are
- --
- un dispositivo electrónico 5 de procesamiento de datos. an electronic device 5 for data processing.
- --
- una red de difracción 3, a diffraction network 3,
- --
- un sistema de fotodetección 4 ubicado en un plano inclinado un ángulo e con respecto al plano en el que está situada la red de difracción 3, a photodetection system 4 located in an inclined plane at an angle e with respect to the plane in which the diffraction network 3 is located,
- --
- un dispositivo electrónico 5 de procesamiento de datos. an electronic device 5 for data processing.
- 14. 14.
- Dispositivo optoelectrónico según la reivindicación 13 en el que el ángulo ees de 45° ± 30°. Optoelectronic device according to claim 13 wherein the angle is 45 ° ± 30 °.
- 15. fifteen.
- Dispositivo optoelectrónico según la reivindicación 14 en el que el ángulo ees de 45°. Optoelectronic device according to claim 14 wherein the angle is 45 °.
- 16. 16.
- Dispositivo optoelectrónico según cualquiera de las reivindicaciones 10-15 en el que elllos sistemals de fotodetección 4 se ubican en una cámara con distribución bidimensional CMOS o CCD. Optoelectronic device according to any of claims 10-15 in which the photodetection systems 4 are located in a chamber with CMOS or CCD two-dimensional distribution.
- 17. 17.
- Dispositivo optoelectrónico según cualquiera de las reivindicaciones 10-16 en el que el dispositivo electrónico 5 se selecciona entre el grupo formado Optoelectronic device according to any one of claims 10-16 wherein the electronic device 5 is selected from the group formed
- --
- un elemento colimador 2, a collimator element 2,
- --
- una red de difracción 3, a diffraction network 3,
- --
- al menos, dos sistemas de fotodetección 4 ubicados a distintas distancias de at least two photodetection systems 4 located at different distances from
- --
- un dispositivo electrónico 5 de procesamiento de datos. an electronic device 5 for data processing.
- --
- un elemento colimador 2, a collimator element 2,
- --
- una red de difracción 3 , a diffraction network 3,
- --
- un divisor de haz 6 ubicado a continuación de la red de difracción 3 a lo largo del eje óptico del dispositivo, a beam splitter 6 located next to the diffraction network 3 along the optical axis of the device,
- --
- dos sistemas de fotodetección 4 ubicados en dos planos distintos, perpendiculares entre sí y paralelos a dos caras del divisor de haz 6, two photodetection systems 4 located in two different planes, perpendicular to each other and parallel to two faces of the beam splitter 6,
- --
- un dispositivo electrón ico 5 de procesamiento de datos. an electronic data processing device 5.
- --
- un elemento colimador 2, a collimator element 2,
- --
- una red de difracción 3, a diffraction network 3,
- --
- un divisor de haz 6 ubicado a continuación de la red de difracción 3 a lo largo del eje óptico del dispositivo, a beam splitter 6 located next to the diffraction network 3 along the optical axis of the device,
- --
- un sistema de fotodetección 4 ubicado en un plano paralelo a una cara del a photodetection system 4 located in a plane parallel to one side of the
- --
- un dispositivo electrónico 5 de procesamiento de datos. an electronic device 5 for data processing.
- --
- una red de difracción 3, a diffraction network 3,
- --
- un sistema de fotodetección 4 ubicado en un plano inclinado un ángulo e a photodetection system 4 located on an inclined plane an angle e
- --
- un dispositivo electrónico 5 de procesamiento de datos. an electronic device 5 for data processing.
- 23. 2. 3.
- Dispositivo optoelectrónico según la reivindicación 22 en el que el ángulo e es de 45° ± 30°. Optoelectronic device according to claim 22 wherein the angle e is 45 ° ± 30 °.
- 24. 24.
- Dispositivo optoelectrónico según la reivindicación 23 en el que el ángulo 8 es de 45" Optoelectronic device according to claim 23 wherein the angle 8 is 45 "
- 25. 25.
- Dispositivo optoelectrónico según cualquiera de las reivindicaciones 18-24 Optoelectronic device according to any of claims 18-24
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|---|---|---|---|
| ES201500458A ES2549977B2 (en) | 2015-06-19 | 2015-06-19 | Optoelectronic methods and devices for collimating and / or for determining the degree of collimation of a light beam |
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