Use este identificador para citar ou linkar para este item: http://hdl.handle.net/1843/BUOS-8U5NQT
Tipo: Tese de Doutorado
Título: Optimized microlens-array geometry for Hartmann-Shack wavefront sensor: design, fabrication and test
Autor(es): Otavio Gomes de Oliveira
Primeiro Orientador: Davies William de Lima Monteiro
Primeiro membro da banca : Rodney Rezende Saldanha
Segundo membro da banca: Marcos Pinoti Barbosa
Terceiro membro da banca: Paulo Schor
Quarto membro da banca: Jose Paulo Rodrigues Furtado de Mendonca
Quinto membro da banca: Jarbas Caiado de Castro Neto
Resumo: O sensor de frente de ondas de Hartmann-Shack (H-S) é aplicado a diversas áreas do conhecimento, da astronomia à inspeção industrial, em que a qualidade de meios ou componentes ópticos pode ser medida através das distorções (aberrações de frentes de onda) que eles inserem em uma frente de onda, seja por reflexão ou refração. Em oftalmologia, este sensor é um componente central da maioria dos aberrômetros, que são usados na avaliação da qualidade óptica do olho, em pesquisas e em diagnóstico clínico. O sensor de frentes de onda de H-S é também encontrado em sistemas ópticos adaptativos, que são usados para aumentar a qualidade de sistemas ópticos, por meio da compensação de aberrações de frentes de onda. Essas distorções nas frentes de onda podem representar um sério problema em diversas aplicações que requerem imagens de alta qualidade. A matriz de microlentes é um importante elemento no sensor de H-S responsável pela amostragem da frente de onda aberrada em pontos de luz no flano focal. A posição de cada ponto de luz relaciona a inclinação média da parte da frente de onda amostrada pela respectiva microlente. As coordenadas das posições de todos os pontos de luz são usados no processo de reconstrução modal para aproximar a topologia real da frente de onda através de uma combinação de funções ortonormais. O desvio dessa aproximação é chamado de erro de reconstrução. A amostragem da frente de onda é influenciada pelo padrão de distribuição das microlentes na matriz, formato e tamanho das microlentes, número de microlentes e fator de preenchimento da matriz. As matrizes comumente encontradas no mercado possuem, em geral, configura·o retangular ou hexagonal. A influência da geometria da matriz sobre o erro de reconstrução já foi discutido na literatura, que demonstrou que geometrias aleatórias podem apresentar performance melhor do que as geometrias regulares. Este trabalho propôs a otimização da geometria da matriz de microlentes para ser usada em um contexto específico, como oftalmologia. O trabalho consistiu de três fases: optimização numéica, para encontrar as matrizes ótimas; fabricação e teste em bancada óptica, para avaliar comparativamente a performance das matrizes fabricadas e uma matriz comercial. A otimização consiste na minimização do erro de reconstrução e/ou do número de microlentes necessárias na matriz, considerando uma estatística de aberrações conhecida. No contexto oftalmológico, usado como estudo de caso, foi demonstrado pelas simula·es que matrizes otimizadas com 10 ou 16 microlentes podem ser usadas para produzir erros de reconstrução da mesma ordem que matrizes retangulares com 36 microlentes. As matrizes otimizadas foram então fabricadas em uma sala limpa, onde corrosão anisotróica por KOH foi utilizada para obter-se moldes dos quais as microlentes foram replicadas em polímero. Foram fabricadas as matrizes otimizadas com 10 e 16 microlentes e também as matrizes retangulares com 16 e 36 microlentes. Todas as matrizes foram testadas e comparadas com uma matriz hexagonal comercial, com 127 microlentes. Os testes foram feitos com uma aberração arbitrária, mas compatível com a estatística estudada. Os resultados finais corroboram com os previstos pelas simula·es computacionais.
Abstract: The Hartmann-Shack (H-S) wavefront sensor is now deployed in many different fields, from astronomy to industrial inspection, where the quality of optical media or components can be measured by the distortions (wavefront aberrations) they impart on a wavefront transmitted or reflected by them. In ophthalmology, this sensor is a core component of major aberrometers, used in the assessment of the visual quality of the eye, academic research and clinical diagnosis. The H-S wavefront sensor is also found in adaptive optics (AO) systems, which are used to improve the quality and the capabilities of optical systems, by compensating for wavefront aberrations that affect light waves. These image distortions can represent a serious problem in many different applications where high-quality images are demanded. The microlens array is an important element in the H-S sensor, responsible for sampling the aberrated wavefront into light spots on the focal plane. The position of each light spot relates to the average tilt of the wavefront over the respective microlens. These spot­position coordinates are then used in the modal reconstruction to approximate the wavefront topology with a combination of orthogonal basis functions. The wavefront reconstruction error describes the deviation of the reconstructed wavefront from the reference one. The wavefront sampling is influenced by the microlens distribution pattern in the array, lens contour and size, number of microlenses and fill factor. Adopted grids typically consist in either rectangular or hexagonal configurations. The influence of the array geometry on the wavefront reconstruction error was already discussed in the literature, which demonstrated that random arrays might perform better than regular ones. This work proposes the optimization of the microlens-array geometry to be used in a specific context, such as ophthalmology. The workflow consisted of three major steps: numerical optimization, to find the optimal microlens arrays; fabrication of the arrays; and test on an optical bench, to comparatively assess the performance of the fabricated and commercial arrays. The optimization comprises the minimization of the wavefront reconstruction error and/or the number of necessary microlenses in the array, considering a known aberration statistics. Within the ophthalmological context, as a case study, it was demonstrated by the numerical simulations that 10 or 16 suitably located microlenses can be used to produce reconstruction errors as small as those of a 36-microlens rectangular array. The optimized arrays were then fabricated in a clean room, where KOH anisotropic etching was used to obtain the silicon molds from which the microlens arrays were replicated on polymer by casting. Four arrays were fabricated: 10- and 16-microlens optimized arrays and 16 and 36-microlens rectangular arrays. All four arrays were tested and compared to a standard 127-microlens hexagonal commercial array, using an arbitrary wavefront aberration, which is compatible with the used ophthalmological wavefront-aberration statistics. The final results corroborate with the predictions of the computational simulations.
Assunto: Engenharia elétrica
Idioma: Português
Editor: Universidade Federal de Minas Gerais
Sigla da Instituição: UFMG
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUOS-8U5NQT
Data do documento: 29-Fev-2012
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