Publication: Sobre métodos ópticos para la reconstrucción del frente de onda: novedades, mejoras y modificaciones en los métodos para aplicaciones en la industria aeroespacial
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Publication Date
2016-02-17
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Universidad Complutense de Madrid
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Abstract
Different optical methods for phase recovering and therefore the wavefront are related with a set of direct techniques as interferometry, indirect ones like Shack-Hartmann sensing and iterative methods where an objective function is optimized. The aerospace industry has used techniques coming from optical metrology for the assembly and integration of instruments with optical properties. However, also other subjects use, involve and push the development of these kind of techniques, for example in microscopy. Currently, the wavefront retrieval techniques have been improved and strengthened by using algorithms coming from computer graphics. In addition, the design of filters and phase demodulation by using the theory of signals coming from electronic engineering and telecommunications. In addition to the improvements in algorithms, the experimental optical methods have triggered innovative developments considering the emergent technologies based on liquid crystal (spatial light modulators - SLMs) and its ability to modulate phase, amplitude or both easily. Furthermore, the performance in terms of response times, resolution and modulation capabilities, among others, of liquid crystal devices are improving constantly. This thesis proposes new methods and improvements in techniques for recovering the wavefront in order to be used in the corresponding processes of assembly and integration of optical instruments for space. A method able to recover the phase with abrupt differences of intensity in the incoming field is proposed from the conventional interferometry by using techniques coming from computer graphics and fringe normalization through filters described since the signal theory. A comparison between electronic speckle pattern interferometry (ESPI) and differential interferometry showing as a disadvantage that the last one does not recover the phase of an extended object. Moreover, the wavefront recovery in topographic applications is proposed in ESPI by using two wavelengths, and adapting the wavefront by using a SLM. In this way, it was proposed a complete new method, where the wavefront is modified by introducing an orbital angular momentum (OAM) using an experimental setup ESPI to overcome the sign ambiguities which are typical on interferometry since the experiment. There were proposed two new methods from the indirect methods focused on Shack-Hartmann sensing. The first one uses spiral phase filtering. This filter is an extension of the ESPI experimental setup introducing an optical vortex in the reference beam since the perspective of image processing. Moreover, it is a generalization of the high dynamic range (HDR) method proposed in the experimental setup of conventional interferometry. The second one, is a novel proposal to recover the wavefront in zonal mode, using the optical flow method coming from computer graphics and to avoid the computation for the centroids in a traditional way, which is computationally expensive. At last, a revision of the iterative methods for phase recovering and their usefulness on the integration of optical instruments is presented
Los diferentes ḿetodos ́opticos para la recuperacíon de la fase y por tanto para el frente de onda pasan por una serie de t́ecnicas, como las interferoḿetricas y otras no directas entre las que destacan el sensado Shack-Hartmann y los ḿetodos iterativos en los que se minimiza una funcíon objetivo. La industria aeroespacial hace uso de estas t́ecnicas provenientes de la metroloǵıa ́optica para la integracíon de instrumentos esencialmente ́opticos. Sin embargo, no es la ́unica industria, ni ́area que hace uso de estas, un ejemplo es la microscopia, la cual tambíen ha aportado con nuevas t́ecnicas. Actualmente las t́ecnicas de recuperacíon del frente onda se han apropiado y robustecido desde la algoritmia de ́areas como la computacíon gŕafica, y desde el punto de vista del tratamiento de se˜nales provenientes de la ingenieŕıa electŕonica y de telecomunicaciones con el dise˜no de filtros y la demodulacíon de la fase en el espacio frecuencial. Por otro lado, no solo la algoritmia ha sido mejorada, los ḿetodos ́opticos experimentales han desencadenado en desarrollos novedosos con la aparicíon de tecnoloǵıas emergentes basadas en cristal-liquido (Moduladores espaciales de luz - SLMs). La gran ventaja de estos dispositivos es la capacidad de modular fase, amplitud o ambas con una relativa facilidad en su uso. Adicionalmente los nuevos dispositivos tienen cada vez mejor desempe˜nos en las capacidades de modulacíon, en los tiempos de respuesta, mayor resolucíon, entre otras. En resumen esta memoria de tesis propone ḿetodos novedosos e introduce mejoras en otros para las t́ecnicas de recuperacíon del frente de onda que son usados en los procesos de integracíon de instrumentos ́opticos para espacio. Desde la interferometŕıa convencional se propone un ḿetodo capaz de reconstruir la fase con diferencias de intensidad abruptas en el campo a reconstruir, usando t́ecnicas provenientes de la computacíon gŕafica y la normalizacíon de franjas a trav́es de filtros descritos desde la teoŕıa de se˜nales. En interferometŕıa electŕonica de patrones de Speckle (ESPI) se hace una comparacíon para mostrar las ventajas de esta con respecto a la interferometŕıa diferencial, la cual, no recupera la fase de un objeto extendido. Tambíen en ESPI se propone hacer la recuperacíon del frente de onda en aplicaciones topogŕaficas usando dos longitudes de onda y haciendo adaptacíon del frente de onda con el uso de un SLM. En este sentido, propusimos un ḿetodo completamente nuevo, en el cual modificamos el frente de onda introduciendo momento angular orbital (OAM) en un montaje ESPI, para superar las ambig¨uedades en el signo t́ıpicas en interferometŕıa desde el experimento. Desde los ḿetodos indirectos, donde principalmente nos centramos en el sensado Shack-Hartmann, se proponen dos nuevos ḿetodos para procesar los patrones Hartmann. El primero usa el filtrado espiral de fase, a trav́es del operador v́ortice para hacer ḿas f́acil el ćalculo de los centroides de manera tradicional. El filtro espiral de fase es una extensi ́on de lo propuesto en el montaje experimental ESPI introduciendo un vorticidad ́optica al haz de referencia, pero desde la perspectiva del procesamiento de iḿagenes, y adicionalmente es una generalizacíon del algoritmo de normalizacíon de franjas propuesto en el montaje de interferometŕıa convencional. El segundo ḿetodo es una propuesta novedosa que reconstruye la fase de forma zonal, haciendo uso del ḿetodo de flujo ́optico (optical flow) proveniente de la computacíon grafica para evitar el ćalculo de los centroides de manera tradicional, lo cual es muy costoso computacionalmente. Por ́ultimo se hace una revisíon de los ḿetodos iterativos de recuperaci ́on de la fase y su utilidad en la integracíon de instrumentos ́opticos.
Los diferentes ḿetodos ́opticos para la recuperacíon de la fase y por tanto para el frente de onda pasan por una serie de t́ecnicas, como las interferoḿetricas y otras no directas entre las que destacan el sensado Shack-Hartmann y los ḿetodos iterativos en los que se minimiza una funcíon objetivo. La industria aeroespacial hace uso de estas t́ecnicas provenientes de la metroloǵıa ́optica para la integracíon de instrumentos esencialmente ́opticos. Sin embargo, no es la ́unica industria, ni ́area que hace uso de estas, un ejemplo es la microscopia, la cual tambíen ha aportado con nuevas t́ecnicas. Actualmente las t́ecnicas de recuperacíon del frente onda se han apropiado y robustecido desde la algoritmia de ́areas como la computacíon gŕafica, y desde el punto de vista del tratamiento de se˜nales provenientes de la ingenieŕıa electŕonica y de telecomunicaciones con el dise˜no de filtros y la demodulacíon de la fase en el espacio frecuencial. Por otro lado, no solo la algoritmia ha sido mejorada, los ḿetodos ́opticos experimentales han desencadenado en desarrollos novedosos con la aparicíon de tecnoloǵıas emergentes basadas en cristal-liquido (Moduladores espaciales de luz - SLMs). La gran ventaja de estos dispositivos es la capacidad de modular fase, amplitud o ambas con una relativa facilidad en su uso. Adicionalmente los nuevos dispositivos tienen cada vez mejor desempe˜nos en las capacidades de modulacíon, en los tiempos de respuesta, mayor resolucíon, entre otras. En resumen esta memoria de tesis propone ḿetodos novedosos e introduce mejoras en otros para las t́ecnicas de recuperacíon del frente de onda que son usados en los procesos de integracíon de instrumentos ́opticos para espacio. Desde la interferometŕıa convencional se propone un ḿetodo capaz de reconstruir la fase con diferencias de intensidad abruptas en el campo a reconstruir, usando t́ecnicas provenientes de la computacíon gŕafica y la normalizacíon de franjas a trav́es de filtros descritos desde la teoŕıa de se˜nales. En interferometŕıa electŕonica de patrones de Speckle (ESPI) se hace una comparacíon para mostrar las ventajas de esta con respecto a la interferometŕıa diferencial, la cual, no recupera la fase de un objeto extendido. Tambíen en ESPI se propone hacer la recuperacíon del frente de onda en aplicaciones topogŕaficas usando dos longitudes de onda y haciendo adaptacíon del frente de onda con el uso de un SLM. En este sentido, propusimos un ḿetodo completamente nuevo, en el cual modificamos el frente de onda introduciendo momento angular orbital (OAM) en un montaje ESPI, para superar las ambig¨uedades en el signo t́ıpicas en interferometŕıa desde el experimento. Desde los ḿetodos indirectos, donde principalmente nos centramos en el sensado Shack-Hartmann, se proponen dos nuevos ḿetodos para procesar los patrones Hartmann. El primero usa el filtrado espiral de fase, a trav́es del operador v́ortice para hacer ḿas f́acil el ćalculo de los centroides de manera tradicional. El filtro espiral de fase es una extensi ́on de lo propuesto en el montaje experimental ESPI introduciendo un vorticidad ́optica al haz de referencia, pero desde la perspectiva del procesamiento de iḿagenes, y adicionalmente es una generalizacíon del algoritmo de normalizacíon de franjas propuesto en el montaje de interferometŕıa convencional. El segundo ḿetodo es una propuesta novedosa que reconstruye la fase de forma zonal, haciendo uso del ḿetodo de flujo ́optico (optical flow) proveniente de la computacíon grafica para evitar el ćalculo de los centroides de manera tradicional, lo cual es muy costoso computacionalmente. Por ́ultimo se hace una revisíon de los ḿetodos iterativos de recuperaci ́on de la fase y su utilidad en la integracíon de instrumentos ́opticos.
Description
Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Ciencias Físicas, leída el 09-12-2015