Compensación de la dispersión cromática asociada a la propagación de la luz en el espacio libre. Diseño de dispositivos acromáticos basados en la difracción.

Resumen

El gran interés suscitado por las técnicas de tratamiento óptico de la información durante las últimas décadas tiene su origen, al menos parcialmente, en la capacidad inherente que presentan los sistemas ópticos para la manipulación en paralelo a la velocidad de la luz, de señales de entrada bidimensionales, en contraste con el tratamiento en serie de los sistemas electrónicos de procesado digital. Sin embargo, los procesadores coherentes son sistemas que proporcionan una redundancia nula en el tratamiento de la información, por lo que son muy vulnerables al ruido coherente generado por la presencia de polvo o defectos en los elementos ópticos. Por todo ello, a parte de este procesado convencional, es cada vez más frecuente en óptica el diseño de dispositivos que trabajen con iluminación espacialmente incoherente y/o con luz blanca. Estos nuevos sistemas se caracterizan por una mayor insensibilidad a la falta de estabilidad mecánica lo que les permite una mejor adaptación al entorno que sus homólogos coherentes. En esta dirección, los procesadores que trabajan con luz temporalmente incoherente añaden la ventaja de poder utilizar cualquier fuente de luz de ancho de banda extenso, tales como lámparas incandescentes, diodos emisores de luz, etc. Estos dispositivos, además, están especialmente adaptados para el procesado de señales de entrada policromáticas. Sin embargo, debido a la dependencia explícita del fenómeno de difracción con la longitud de onda de la radiación incidente, el uso de luz de ancho de banda extenso conduce a la distorsión cromática de los patrones de difracción, tanto de Fresnel como de Fraunhofer, imposibilitando la utilización directa de los procesadores ópticos convencionales en el caso de luz blanca. Una forma de encarar esta situación es mediante el empleo de sistemas ópticos que sean capaces de compensar simultáneamente, para todas las longitudes de onda, la dispersión cromática inherente al fenómeno de la difracción. De este modo, un patrón de difracción debe estar localizado en un único plano y poseer la misma escala para todos los canales monocromáticos de la fuente de iluminación. Los sistemas acromáticos son aquellos dispositivos que cumplen este requisito en una aproximación a primer orden. En general, para compensar la dispersión cromática de los patrones de difracción, es necesaria la utilización de elementos ópticos fuertemente dispersivos. De entre ellos, los elementos ópticos difractivos proporcionan un amplio abanico de posibilidades al trabajar por difracción. Además, se pueden fabricar fácilmente con la tecnología actual: fotolitografía, escritura directa con láser, holografía, etcétera, por lo que su uso está muy extendido. De todos los elementos difractivos posibles, nuestro interés se centra en la utilización exclusiva de lentes difractivas. Una lentes difractiva "blazé" es un elemento puro de fase capaz de concentrar toda la energía incidente en un único foco cuando trabaja con la longitud de onda para la que ha sido diseñado. Estos elementos presentan una fuerte aberración cromática, proporcional al número de onda de la radiación incidente. Este hecho es, precisamente, el que aprovechan nuestros dispositivos para conseguir patrones de difracción acromáticos. En esta tesis doctoral hemos diseñado sistemas ópticos temporalmente incoherentes que permiten el registro acromático de patrones de difracción, tanto de Fresnel como de Fraunhofer, y el procesado óptico de señales policromáticas. El tratamiento teórico se ha realizado utilizando la teoría paraxial de la difracción y, en concreto, bajo la aproximación de Fresnel-Kirchhoff. Como primer sistema óptico, hemos diseñado un triplete híbrido refractivo-difractivo que proporciona el patrón de difracción de Fraunhofer acromático de una transparencia bidimensional. Este dispositivo carece de aberración cromática longitudinal y tiene una aberración cromática transversal es muy reducida. De hecho, es un orden de magnitud inferior que la presente en el patrón de difracción de Fraunhofer obtenido con luz policromática mediante un sistema refractivo convencional. Posteriormente, hemos reconocido una regla de paso que permite obtener patrones de difracción de Fresnel a partir de un dispositivo transformador de Fourier acromático. Para ello, basta insertar una lente difractiva adherida al objeto difractante. De este modo, en el plano de salida de nuestro dispositivo se obtiene un patrón de Fresnel acromático cuyo perfil de irradiancia varía en función de la focal de la lente difractiva pegada al objeto. Nuestro segundo objetivo, ha sido el diseño de nuevos procesadores ópticos que trabajan con objetos en color. Por un lado, hemos diseñado dos correladores que emplean como iluminación una fuente extensa de luz blanca. Este tipo de sistemas aúnan las ventajas proporcionadas por la iluminación espacialmente incoherente y las correspondientes a la utilización de fuentes de luz blanca. De este modo, procesan las distribuciones de irradiancias de señales extensas policromáticas procedentes, por ejemplo, de un monitor de televisión en color. Por último, hemos diseñado un dispositivo óptico que realiza operaciones de procesado espacialmente variante de objetos en policromáticos utilizando una fuente de iluminación espacialmente coherente y temporalmente incoherente. De este modo, somos capaces de reconocer un objeto determinado en una escena de entrada sólo cuando el mismo se ubica en la posición deseada. El resto de posiciones del patrón a detectar no son consideradas por el sistema lo que permite una discriminación mayor que la proporcionada por un sistema convencional que, al ser espacialmente invariante, discrimina exclusivamente en función de la forma del objeto. Además, por tratarse de un dispositivo acromático, la distribución de irradiancia del plano de salida nos proporciona información sobre la distribución espectral del patrón reconocido en el plano de entrada. Todos estos dispositivos acromáticos han sido implementados en el laboratorio y los resultados obtenidos verifican las propuestas teóricas así como el buen funcionamiento de los mismos. __________________________________________________________________________________________________ SUMARY The scope of this work is the compensation of the chromatic dispersion inherent to free-space light propagation, both in the Fraunhofer and in the Fresnel diffraction region. The cornerstone of our procedure lies in achieving, in a first-order approximation, the incoherent superposition of the monochromatic versions of the selected diffraction pattern in a single plane and with the same scale for all the wavelengths of the incident light. Our first configuration, an achromatic Fourier transformer, is formed by a combination of two diffractive lenses and a refractive lens, providing an achromatic image of the Fraunhofer diffraction pattern of the input transparency. Moreover, we have recognize that any dispersion-compensated optical Fourier transformer can be adapted to achieve wavelength compensation in the Fresnel diffraction region just by inserting a diffractive lens at the input plane. In this way, we obtain another device that provides the desired achromatic Fresnel pattern by selecting the focal length of the attached diffractive lens. The resulting achromatic hybrid (diffractive-refractive) systems are applied, in a second stage, for implementing totally-incoherent optical processors. These processors have been applied to develop space-invariant achromatic pattern recognition experiments with different size of the target in the input scene. Finally, we report a hybrid chromatically-compensated Fresnel processor to perform space-variant color pattern recognition operations in a single step. All the achromatic devices were experimentally tested. In all the cases, the residual chromatic aberrations are low even when the spectrum of the incident light spreads over the whole visible region and there is a remarkable reduction of the coherent noise.