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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 lentillas crea puntos en el sensor según 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 única lente en un SHWFS.

Un sensor de frente de onda Shack-Hartmann (o Hartmann-Shack ) ( SHWFS ) es un instrumento óptico utilizado 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 matriz de lentes (llamadas lenslets) de la misma longitud focal. Cada una está enfocada en un sensor de fotones (normalmente una matriz CCD o una matriz CMOS [3] o una celda cuádruple [4] ). Si el sensor se coloca en el plano focal geométrico de la lenslet, [5] y está iluminado uniformemente, [6] entonces, el gradiente integrado del frente de onda a través de la lenslet 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 matriz de lenslets, se pueden medir todas estas inclinaciones locales y reconstruir todo el frente de onda. Dado que solo se miden las inclinaciones, el Shack-Hartmann no puede detectar pasos discontinuos en el frente de onda.

El diseño de este sensor mejora el diseño de una serie de agujeros en una máscara que había sido desarrollada en 1904 por Johannes Franz Hartmann como un 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 fines de la década de 1960, Roland Shack y Ben Platt modificaron la pantalla Hartmann reemplazando las aberturas en una pantalla opaca por una serie de lentes. [7] [1] La terminología propuesta por Shack y Platt fue pantalla 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 los ojos para el tratamiento corneal de errores refractivos complejos. [9] [10] Recientemente, Pamplona et al. [11] desarrollaron y patentaron [12] un inverso del sistema Shack-Hartmann para medir las aberraciones del cristalino del ojo. Mientras que los sensores Shack-Hartmann miden la pendiente localizada del error del frente de onda utilizando el desplazamiento del punto en el plano del sensor, Pamplona et al. reemplazan el plano del sensor con una pantalla visual de alta resolución (por ejemplo, la pantalla de un teléfono móvil) que muestra los puntos que el usuario ve a través de una matriz de lentillas. Luego, el usuario cambia 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 lo 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 Hartmann lenticular". Journal of the Optical Society of America (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". Optics Express . 11 (21). OSA: 2704–2716. Bibcode :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 cuádruple óptica como detector sensible a la posición". IEEE Sensors Journal . 10 (2). IEEE: 286–293. Bibcode :2010ISenJ..10..286S. doi :10.1109/jsen.2009.2033806.
  5. ^ Akondi, Vyas; Dubra, Alfredo (agosto de 2019). "Explicación del cambio focal en el sensor de frente de onda Shack-Hartmann". Optics Letters . 44 (17): 4151–4154. doi :10.1364/OL.44.004151. PMC 7535119 . PMID  31465350. 
  6. ^ Akondi, Vyas; Steven, Samuel; Dubra, Alfredo (agosto de 2019). "Error de centroide debido a la iluminación no uniforme de las lentes en el sensor de frente de onda Shack-Hartmann". Optics Letters . 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". Journal of Refractive Surgery . 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 sensor Hartmann-Shack para medir aberraciones ópticas en el ojo humano". JOSA A . 17 (6). Sociedad Óptica de América: 974–985. Bibcode :2000JOSAA..17..974M. doi :10.1364/JOSAA.17.000974. hdl : 10261/61848 . PMID  10850467.
  10. ^ Thomas Kohnen y Douglas D. Koch (2006). Cirugía refractiva y de cataratas, volumen 2. Springer. pág. 55. ISBN 978-3-540-30795-2.
  11. ^ Pamplona, ​​Vitor F.; Mohan, Ankit; Oliveira, Manuel M.; Raskar, Ramesh (2010). "NETRA: Visualización interactiva para estimar errores refractivos y rango focal" (PDF) . ACM Transactions on Graphics . 29 (4). doi :10.1145/1778765.1778814. hdl : 1721.1/80392 . Archivado desde el original (PDF) el 2012-10-12.
  12. ^ Patente estadounidense 8783871, Pamplona, ​​Vitor; Menezes de Oliveira, Manuel y Mohan, Ankit et al., "Herramienta de visión cercana para evaluación refractiva", publicada el 31 de enero de 2013, emitida el 22 de julio de 2014, asignada al Instituto Tecnológico de Massachusetts 

Véase también