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Sensor de frente de onda Shack-Hartmann

Sistema Shack-Hartmann en óptica clínica: el láser crea una fuente de luz virtual en la retina. La matriz de lentes crea puntos en el sensor de acuerdo con el frente de onda que sale del ojo.
Inverso del sistema Shack-Hartmann en óptica clínica: se muestra un conjunto de patrones en la pantalla, el usuario los alinea/superpone en una sola imagen presionando botones.
Una ilustración esquemática de un SHWFS.
Operaciones de una sola lente en un SHWFS.

Un sensor de frente de onda Shack-Hartmann (o Hartmann-Shack ) ( SHWFS ) es un instrumento óptico que se utiliza para caracterizar un sistema de imágenes. [1] [2] Es un sensor de frente de onda comúnmente utilizado en sistemas de óptica adaptativa . Consiste en una serie de lentes (llamadas lenslets) de la misma distancia focal. Cada uno se enfoca en un sensor de fotones (normalmente una matriz CCD o una matriz CMOS [3] o de cuatro celdas [4] ). Si el sensor se coloca en el plano focal geométrico de la lente, [5] y está uniformemente iluminado, [6] entonces, el gradiente integrado del frente de onda a través de la lente es proporcional al desplazamiento del centroide. En consecuencia, cualquier aberración de fase puede aproximarse mediante un conjunto de inclinaciones discretas. Al muestrear el frente de onda con una serie de lentes, se pueden medir todas estas inclinaciones locales y reconstruir todo el frente de onda. Dado que sólo se miden las inclinaciones, Shack-Hartmann no puede detectar pasos discontinuos en el frente de onda.

El diseño de este sensor mejora una serie de agujeros en una máscara que había sido desarrollada en 1904 por Johannes Franz Hartmann como medio para rastrear rayos de luz individuales a través del sistema óptico de un gran telescopio, probando así la calidad de la imagen. [2] A finales de la década de 1960, Roland Shack y Ben Platt modificaron la pantalla Hartmann reemplazando las aperturas en una pantalla opaca por una serie de lentes. [7] [1] La terminología propuesta por Shack y Platt fue pantalla de Hartmann . El principio fundamental parece estar documentado incluso antes de Huygens por el filósofo jesuita Christopher Scheiner , en Austria . [8]

Los sensores Shack-Hartmann se utilizan en astronomía para medir telescopios y en medicina para caracterizar ojos para el tratamiento corneal de errores refractivos complejos. [9] [10] Recientemente, Pamplona et al. [11] desarrolló y patentó [12] una inversa del sistema Shack-Hartmann para medir las aberraciones del cristalino. Mientras que los sensores Shack-Hartmann miden la pendiente localizada del error del frente de onda utilizando el desplazamiento puntual en el plano del sensor, Pamplona et al. reemplace el plano del sensor con una pantalla visual de alta resolución (por ejemplo, la pantalla de un teléfono móvil) que muestre puntos que el usuario ve a través de una matriz de lentes. Luego, el usuario desplaza manualmente los puntos mostrados (es decir, el frente de onda generado) hasta que los puntos se alinean. La magnitud de este cambio proporciona datos para estimar los parámetros de primer orden, como el radio de curvatura y, por tanto, el error debido al desenfoque y la aberración esférica.

Referencias

  1. ^ ab Shack, RV (1971). Smith, F. Dow (ed.). "Producción y uso de una pantalla lenticular Hartmann". Revista de la Sociedad Óptica de América (Presentación oral). 61 (5). Ramada Inn, Tucson, Arizona: 656.
  2. ^ ab Hartmann, J. (1904). "Objektivuntersuchungen". Zeitschrift für Instrumentenkunde . 24 . Berlín: Verlag von Julius Springer: 1–25, 33–47, 97–117.
  3. ^ T Nirmaier; G Pudasaini; J Bille (2003). "Medidas de frente de onda muy rápidas en el ojo humano con un sensor Hartmann-Shack personalizado basado en CMOS". Óptica Express . 11 (21). AOS: 2704–2716. Código Bib : 2003OExpr..11.2704N. doi : 10.1364/oe.11.002704 . PMID  19471385.
  4. ^ LP Salles; DW de Lima Monteiro (2010). "Diseño de la respuesta de una celda óptica de cuatro celdas como detector sensible a la posición". Revista de sensores IEEE . 10 (2). IEEE: 286–293. Código Bib : 2010ISenJ..10..286S. doi : 10.1109/jsen.2009.2033806.
  5. ^ Akondi, Vyas; Dubra, Alfredo (agosto 2019). "Contabilización del cambio focal en el sensor de frente de onda Shack-Hartmann". Letras de Óptica . 44 (17): 4151–4154. doi :10.1364/OL.44.004151. PMC 7535119 . PMID  31465350. 
  6. ^ Akondi, Vyas; Steven, Samuel; Dubra, Alfredo (agosto 2019). "Error centroide debido a una iluminación de lentes no uniforme en el sensor de frente de onda Shack-Hartmann". Letras de Óptica . 44 (17): 4167–4170. doi :10.1364/OL.44.004167. PMC 7535117 . PMID  31465354. 
  7. ^ Platt, Ben C.; Shack, Ronald (octubre de 2001). "Historia y principios de la detección de frente de onda Shack-Hartmann". Revista de cirugía refractiva . 17 (5): S573–7. doi :10.3928/1081-597X-20010901-13. PMID  11583233.
  8. ^ Scheiner, "Oculus, sive fundamentum optum", Innsbruck 1619
  9. ^ E. Moreno-Barriuso y R. Navarro (2000). "Trazado de rayos láser versus Hartmann - Sensor Shack para medir aberraciones ópticas en el ojo humano". JOSA A. 17 (6). Sociedad Óptica de América: 974–985. Código Bib : 2000JOSAA..17..974M. doi :10.1364/JOSAA.17.000974. hdl : 10261/61848 . PMID  10850467.
  10. ^ Thomas Kohnen y Douglas D. Koch (2006). Cataratas y cirugía refractiva, Volumen 2. Springer. pag. 55.ISBN​ 978-3-540-30795-2.
  11. ^ Pamplona, ​​Vítor F.; Mohán, Ankit; Oliveira, Manuel M.; Raskar, Ramesh (2010). "NETRA: Pantalla interactiva para estimar errores de refracción y rango focal" (PDF) . Transacciones ACM sobre gráficos . 29 (4). doi :10.1145/1778765.1778814. hdl : 1721.1/80392 . Archivado desde el original (PDF) el 12 de octubre de 2012.
  12. ^ Patente estadounidense 8783871, Pamplona, ​​Vitor; Menezes de Oliveira, Manuel & Mohan, Ankit et al., "Herramienta para la evaluación refractiva del ojo cercano", publicado el 31 de enero de 2013, publicado el 22 de julio de 2014, asignado al Instituto de Tecnología de Massachusetts 

Ver también