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©INAOE 2018 Derechos Reservados El autor otorga al INAOE el permiso de reproducir y distribuir copias de esta tesis en su totalidad o en partes mencionando la fuente. Corrección del frente de onda en un Interferómetro de Difracción por Punto empleando un modulador espacial de luz. Por: José Alex Zenteno Hernández Tesis sometida como requisito parcial para obtener el grado de: Maestro en Ciencias en el Área de Óptica En el: Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica Agosto 2018 Tonantzintla, Puebla Supervisada por: Fermín Salomón Granados Agustín, INAOE Daniel Aguirre Aguirre, ICAT-UNAM

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Page 1: empleando un modulador espacial de luz. › jspui › ... · Particularmente para la detección de defectos en superficies ópticas bajo prueba. El trabajo abarca desde la generación

©INAOE 2018

Derechos Reservados

El autor otorga al INAOE el permiso de reproducir y

distribuir copias de esta tesis en su totalidad o en partes

mencionando la fuente.

Corrección del frente de onda en un

Interferómetro de Difracción por Punto

empleando un modulador espacial de luz.

Por:

José Alex Zenteno Hernández

Tesis sometida como requisito parcial para obtener el grado de:

Maestro en Ciencias en el Área de Óptica

En el:

Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica

Agosto 2018

Tonantzintla, Puebla

Supervisada por:

Fermín Salomón Granados Agustín, INAOE

Daniel Aguirre Aguirre, ICAT-UNAM

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I

Resumen

En el presente trabajo se describe la construcción, caracterización e implementación de un Interferómetro

de Difracción por Punto (IDP). Se desarrolla la teoría general inherente al mismo y se enfatiza su viable

implementación en interferometría óptica. Particularmente para la detección de defectos en superficies

ópticas bajo prueba. El trabajo abarca desde la generación de placas semitransparentes con micro

orificios, para poder generar un IDP, hasta su implementación y análisis cualitativo.

El trabajo se sustenta con el desarrollo de simulaciones computacionales basadas en la teoría general del

IDP, considerando parámetros físicos reales de los experimentos que permiten predecir el

comportamiento real del interferómetro en el laboratorio. Estas simulaciones se adecúan a diferentes

técnicas de análisis interferométrico, específicamente, técnicas de desplazamiento de fase con las cuales

se recupera un frente de onda.

El objetivo fundamental del trabajo es implementar el IDP para el análisis de superficies con defectos y

compensarlos implementando un modulador espacial de luz corrigiendo el frente de onda proveniente

de dicha superficie. Con el fin de realizar esta corrección, primeramente es necesario conocer los defectos

en el frente de onda. Para ello, se emplean algoritmos de corrimiento de fase que permiten la

caracterización cualitativa y cuantitativa de los defectos. Una vez conocidos, se generan mascarillas de

fase que poseen la compensación de los defectos en el frente de onda. Implementando estas funciones

en el modulador espacial de luz (desplegándolas como una imagen en escala de grises) el frente de onda

aberrado es modificado en su fase por dichas funciones compensando los defectos y, en consecuencia,

se obtiene un frente de onda corregido.

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II

Agradecimientos

Mi más sincero agradecimiento a Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por la beca

otorgada.

Al Instituto Nacional de Astrofísica Óptica y Electrónica (INAOE) que a través de su planta académica,

administrativos e instalaciones fue posible el desarrollo de mis estudios de posgrado.

A mis asesores, el Doctor Fermín Salomón Granados Agustín y el Doctor Daniel Aguirre Aguirre por

todo el apoyo brindado.

A mis sinodales, el Doctor Alejandro Cornejo Rodríguez, la Doctora María Elizabeth Percino Zacarías y

la Doctora Brenda Villalobos Mendoza por sus haberse tomado el tiempo de leer este trabajo y haberlo

mejorado con sus observaciones.

A todo el equipo de Instrumentación ya que en pequeña o gran medida contribuyeron al desarrollo del

trabajo.

A mi familia. A mi madre y abuela que siempre han creído en mí.

A Naara, por el apoyo incondicional y amor que me ha demostrado.

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III

Índice general

1 Introducción ............................................................................................................................... 1

2 Marco Teórico ............................................................................................................................ 3

2.1 Interferencia de campos ópticos ....................................................................................... 3

2.2 Condiciones para la interferencia ..................................................................................... 5

2.2.1 Coherencia temporal...................................................................................................... 5

2.2.2 Coherencia espacial ....................................................................................................... 6

2.3 Superposición de dos ondas esféricas .............................................................................. 6

2.4 Interferómetro de difracción por punto ........................................................................... 8

2.4.1 Análisis teórico para un IDP ......................................................................................... 8

3 Fabricación de placas para IDP ............................................................................................. 13

3.1 Laboratorio de películas delgadas .................................................................................. 13

3.2 Laboratorio de microelectrónica..................................................................................... 15

3.3 Índice de refracción de las placas ................................................................................... 17

4 Simulaciones computacionales de un IDP ............................................................................ 18

4.1 Simulación computacional de un IDP ........................................................................... 18

4.1.2 Efectos presentes en un IDP (resultados computacionales) .................................... 20

4.2 Simulación de un IDP para probar superficies esféricas con defectos locales ........... 28

4.2.1 Efectos de un IDP para el análisis de los defectos en una superficie ...................... 32

4.3 Corrección de fase de los frentes de onda para compensar defectos locales. ............. 36

4.3.1 Análisis interferométrico para un IDP – Desplazamiento de fase ........................... 36

4.3.2 Simulaciones numéricas de un IDP con métodos de desplazamiento de fase ....... 39

4.3.3 Obtención de los defectos locales en un IDP ............................................................ 42

4.3.4 Generación de funciones de fase para la compensación de defectos en la superficie

46

5 Implementación de placas para un IDP ................................................................................ 51

5.1 Efectos presentes en un IDP .......................................................................................... 52

5.2 IDP para el análisis de una superficie con defectos locales ......................................... 56

6 Corrección del frente de onda empleando un modulador espacial de luz ........................... 59

6.1 Análisis del desplazamiento de fase debido a cambios de niveles de gris en el

modulador espacial de luz........................................................................................................... 59

6.2 Desplazamiento de fase en un IDP para la caracterización de defectos locales ......... 60

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IV

6.3 Corrección de defectos locales mediante modulación de niveles de gris en el

modulador espacial de luz........................................................................................................... 63

7 Conclusiones y trabajo a futuro .............................................................................................. 70

8 Referencias ............................................................................................................................... 72

Anexo I – Código de programa para la simulación numérica de un IDP ................................... 73

Anexo II – Código de programa para la simulación numérica de un IDP para probar

superficies con defectos locales ...................................................................................................... 75

Anexo III – Código de programa para la simulación numérica de un IDP con desplazamiento

de fase ............................................................................................................................................... 78

Anexo IV – Código de programa para la simulación numérica de un IDP con desplazamiento

de fase y obtención de los defectos en un frente de onda ............................................................. 81

Anexo V – Código de programa para la simulación numérica de un IDP con desplazamiento

de fase, obtención de los defectos en un frente de onda y generación de imagen en escala de

grises para modulación. .................................................................................................................. 86

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V

Índice de figuras

Fig. 1 (a) Las franjas de interferencia no localizadas producidas por dos fuentes esféricas son

hiperboloides de revolución alrededor del eje S1-S2, (b) Hipérbolas resultantes de la intersección de los

hiperboloides con un plano que pasa por S1 y S2 [8]. ........................................................................................ 7 Fig. 2 La distribución de las franjas varía en función de la ubicación del plano de observación. ............... 7 Fig. 3 Esquema de un Interferómetro de Difracción por Punto. ..................................................................... 8 Fig. 4 Diagrama de análisis para la onda del micro-orificio. .............................................................................. 9 Fig. 5 Diagrama de análisis para la onda esférica. ............................................................................................. 11 Fig. 6 Diagrama de análisis del IDP, campos propagados. .............................................................................. 12 Fig. 7 Gotas de mercurio sobre placa de vidrio. ................................................................................................ 13 Fig. 8 a) Selección de micro-gota del tamaño apropiado (15 micras), b) Micro-gota en sustrato limpio . 14 Fig. 9 Revisión de la placa semitransparente con orificio. ............................................................................... 14 Fig. 10 Versión final de las placas (Gota de mercurio). .................................................................................... 14 Fig. 11 Esquema representativo de la mascarilla empleada para el proceso de microlitografía (no refleja

las dimensiones reales). .......................................................................................................................................... 15 Fig. 12 a) Fotoimpresión del patrón sobre sustrato b) Patrón impreso c) Silanol removido d) Vista

representativa del sustrato final. ........................................................................................................................... 16 Fig. 13 Versión final de las placas (Microlitografía) .......................................................................................... 16 Fig. 14 Diagrama de flujo de la simulación numérica para un IDP. .............................................................. 19

Fig. 15 Simulación numérica de un IDP. 𝜙orificio=6 micras, nv=1.514, nAl=1.396, z’=55cm. .................... 20 Fig. 16 Esquema del desplazamiento o defoco de la imagen de un objeto debido una placa plano paralela.

................................................................................................................................................................................... 20 Fig. 17 Interferogramas obtenidos en la simulación de un IDP para diferentes espesores de la película de

aluminio con transmitancias de: a) 100%, b) 90%, c) 80% y d) 70% ............................................................. 21 Fig. 18 Corrimiento de franjas debido al defoco inducido por la película de aluminio. a) Comparación de

interferogramas de 100% y 70% de transmitancia. b) Acercamiento a la zona central derecha. c) Vista

transversal (normalizada) del perfil de interferencia. ........................................................................................ 21 Fig. 19 Variación del tamaño del micro-orificio. Interferogramas resultantes. ............................................ 23 Fig. 20 Patrón de difracción de una apertura circular. ...................................................................................... 23 Fig. 21 Diagrama de análisis para desplazamientos laterales y verticales de la placa en un IDP. .............. 24 Fig. 22 Diferentes desplazamientos laterales y verticales para la placa de un IDP. Δx=10µm y Δy=10µm.

................................................................................................................................................................................... 24 Fig. 23 Esquema representativo de un desplazamiento lateral de la placa en un IDP. a) Placa centrada. b)

Placa desplazada ...................................................................................................................................................... 25 Fig. 24 Geometría de la separación entre dos ondas esféricas con diferente radio de curvatura [17]. ..... 25 Fig. 25 Diagrama representativo de un desplazamiento axial de la placa de un IDP. a) sin desplazamiento,

b) desplazamiento hacia atrás del punto de convergencia, c) desplazamiento hacia adelante del punto de

convergencia. ........................................................................................................................................................... 26 Fig. 26 Desplazamiento axial de la placa de un IDP. Partiendo desde el punto focal hacia atrás y hacia

adelante. a) Desplazamiento hacia atrás, distancia máxima: ∆z~1mm, b) Desplazamiento hacia adelante,

distancia máxima: ∆z~1mm. ................................................................................................................................ 27 Fig. 27 Defoco para interferogramas con aberración esférica. ....................................................................... 27 Fig. 28 Aberración esférica ante la combinación de defoco y desplazamientos laterales de la placa en un

IDP. .......................................................................................................................................................................... 27 Fig. 29 Obtención de franjas rectas paralelas e igualmente espaciadas. ......................................................... 28

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VI

Fig. 30 Esquema representativo de un IDP analizando una superficie esférica con defectos. .................. 28 Fig. 31 Diagrama de flujo de la simulación numérica para un IDP probando superficies esféricas con

defectos. ................................................................................................................................................................... 29 Fig. 32 Función bidimensional cuyos valores son múltiplos de longitudes de onda. .................................. 29 Fig. 33 a) Fase de la onda esférica sin modificaciones. b) Fase de la onda esférica después de ser

modificada por la acción de los defectos. ........................................................................................................... 30 Fig. 34 Simulación de un IDP para una superficie con defectos. ................................................................... 31 Fig. 35 Simulaciones de IDP’s para diferentes superficies con defectos de geometrías complejas. ......... 31 Fig. 36 Interferogramas para un frente de onda aberrado con defectos a) positivos b) negativos. Se

muestran los perfiles de la onda con los defectos respectivamente. .............................................................. 32 Fig. 37 Esquema representativo de la comparación de un desplazamiento de la placa del IDP a) dentro

de la zona de convergencia b) fuera de la zona de convergencia. ................................................................... 33 Fig. 38 Simulación del desplazamiento lateral de la placa de un IDP. a) IDP para una onda sin aberraciones

b) IDP para una onda aberrada. ........................................................................................................................... 34 Fig. 39 Simulación de defoco en un IDP a) IDP para una onda sin aberraciones b) IDP para una onda

aberrada Δz≈500µm. .............................................................................................................................................. 35 Fig. 40 IDP para una superficie con defecto. a) Pocas franjas b) después de cierto defoco aumenta el

número de franjas. .................................................................................................................................................. 36 Fig. 41 Interferogramas resultantes después de aplicar un desplazamiento en la fase. ............................... 37 Fig. 42 a) Interferogramas con corrimiento b) Perfil transversal de los interferogramas (al centro) c) Fase

recuperada ................................................................................................................................................................ 40 Fig. 43 a) Interferogramas con corrimiento b) Perfil transversal de los interferogramas (al centro) c) Fase

recuperada ................................................................................................................................................................ 42 Fig. 44 Algoritmo a seguir para la obtención de defectos locales en un IDP. .............................................. 42 Fig. 45 Método de las 4 imágenes para la obtención de la fase de un frente de onda con defectos. a)

Interferogramas generados tras el corrimiento de fase b) Fase obtenida. ..................................................... 43 Fig. 46 Método de las 4 imágenes para la obtención de la fase de un frente de onda sin defectos. a)

Interferogramas generados tras el corrimiento de fase b) Fase obtenida. ..................................................... 44 Fig. 47 Defecto obtenido. ..................................................................................................................................... 44 Fig. 48 Proceso para la modulación y comparación de los interferogramas con y sin defectos. ............... 47 Fig. 49 Defecto obtenido y su respectiva función de modulación. ................................................................ 47 Fig. 50 Esquema de la corrección del frente de onda con defectos. .............................................................. 48 Fig. 51 a) Interferograma para un frente de onda con defecto. b) Interferograma para el mismo frente de

onda pero compensado. ........................................................................................................................................ 48 Fig. 52 a) Interferograma compensado b) Interferograma de referencia. ..................................................... 49 Fig. 53 Corrección del frente de onda mediante funciones de modulación. a) Frente de onda aberrado b)

Interferograma con dislocaciones en las franjas c) Interferograma después de haber modulado los

defectos. ................................................................................................................................................................... 49 Fig. 54 Corrección del frente de onda mediante funciones de modulación. a) Frente de onda aberrado b)

Interferograma con dislocaciones en las franjas c) Interferograma después de haber modulado los

defectos. ................................................................................................................................................................... 50 Fig. 55 Esquema del arreglo experimental. (1) Fuente de luz tipo Zygo, (2) Placa para el IDP montada en

una base micrométrica de tres ejes, (3) Plano de observación. ....................................................................... 51 Fig. 56 IDP's obtenidos con placas hechas por el método de gota de mercurio. ........................................ 52 Fig. 57 IDP's obtenidos con placas hechas por el método de microlitografía. ............................................ 52 Fig. 58 Efecto sobre la variación del espesor de la película delgada de aluminio sobre los interferogramas.

................................................................................................................................................................................... 53 Fig. 59 Variación del tamaño del micro orificio. ............................................................................................... 53

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VII

Fig. 60 Efecto de desplazamientos laterales de la placa en un IDP. Δx=10µm y Δy=10µm ..................... 54 Fig. 61 Efecto de defoco en un IDP, Δz≈1mm. ............................................................................................... 55 Fig. 62 Aberración asférica presente en un IDP. .............................................................................................. 55 Fig. 63 Combinación de defoco con desplazamientos laterales en un IDP para observar aberración

asférica. ..................................................................................................................................................................... 55 Fig. 64 Obtención parcial de franjas rectas, paralelas e igualmente espaciadas en un IDP. ....................... 56 Fig. 65 Arreglo experimental & esquema para un IDP con superficies con defectos. ................................ 57 Fig. 66 IDP para una superficie con defecto tipo escalón de λ/2. ................................................................. 57 Fig. 67 IDP para una superficie con defecto tipo escalón de λ/4. ................................................................. 57 Fig. 68 IDP para superficie reflectora con defectos locales. ........................................................................... 58 Fig. 69 Moléculas de cristal líquido en un pixel del modulador a) Sin voltaje aplicado b) Con voltaje

aplicado. ................................................................................................................................................................... 60 Fig. 70 Modulación de fase para 632nm del modulador espacial de luz LC 2012. ...................................... 60 Fig. 71 IDP para una superficie con defecto. a) Pocas franjas b) después de cierto defoco aumenta el

número de franjas. .................................................................................................................................................. 61 Fig. 72 Superficie óptica con defectos locales.................................................................................................... 61 Fig. 73 Corrimiento de fase por defoco en un IDP. a) Interferogramas con desplazamiento en franjas. b)

Fase recuperada....................................................................................................................................................... 62 Fig. 74 Diferentes vistas del defecto en la sección del frente de onda recuperado. .................................... 63 Fig. 75 Curvas de nivel del defecto en el frente de onda. ................................................................................ 63 Fig. 76 Frente de onda con defecto local. .......................................................................................................... 63 Fig. 77 a) Frente de onda aberrado b) Defecto c) Función de modulación.................................................. 64 Fig. 78 Función de modulación (vista transversal) a) Fase desenvuelta b) Fase envuelta. ......................... 65 Fig. 79 Función de modulación a) Normalizada b) Operando en el rango dinámico del modulador espacial

de luz. ....................................................................................................................................................................... 65 Fig. 80 Función de modulación en escala de grises. ......................................................................................... 65 Fig. 81 Simulación numérica de un defecto tipo escalón λ/2 a) Defecto b) Interferograma. .................... 66 Fig. 82 Simulación numérica de un defecto tipo escalón λ/4 a) Defecto b) Interferograma. .................... 66 Fig. 83 Imágenes para compensar defectos tipo escalón. Estas imágenes son desplegadas en el modulador

espacial de luz. a) λ/2 b) λ/4. ............................................................................................................................... 67 Fig. 84 Interferogramas tras la corrección del frente de onda a) λ/2 b) λ/4. ............................................... 67 Fig. 85 Interferogramas para escalones de a) λ/2 b) λ/4. ................................................................................ 68 Fig. 86 Dislocación en franjas debido a defecto en la superficie. ................................................................... 68 Fig. 87 Modulación del frente de onda en un IDP a) Interferograma con dislocaciones en las franjas b)

Imagen en escala de grises para la modulación del frente de onda, correspondiente a λ/2 b) Frente de

onda corregido - interferograma sin dislocaciones. .......................................................................................... 69 Fig. 88 Modulación del frente de onda en un IDP a) Interferograma con dislocaciones en las franjas b)

Imagen en escala de grises para la modulación del frente de onda, correspondiente a λ/4 b) Frente de

onda corregido - interferograma sin dislocaciones. .......................................................................................... 69

Índice de tablas

Tabla 1 Caracterización de defectos por desplazamiento de fase. Variación de la distancia de observación

................................................................................................................................................................................... 45 Tabla 2 Caracterización de defectos por desplazamiento de fase. Variación del defoco. ........................... 46 Tabla 3 Caracterización de defectos por desplazamiento de fase. Variación horizontal o vertical de la

placa. ......................................................................................................................................................................... 46

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VIII

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1

1 Introducción

A través de los años se ha llegado a comprender que una forma de medición precisa está basada

en la interacción entre una onda con otra. Si dos ondas de la misma naturaleza interactúan una con otra

superponiéndose se generará el fenómeno de interferencia. Debido a las diferencias entre los caminos

recorridos por las ondas, éstas se superpondrán constructiva o destructivamente, el resultado de este

fenómeno es un patrón de interferencia. De estos patrones se puede obtener información relevante tanto

de las ondas como de los caminos o medios por los cuales pasaron [1]. Si específicamente se considera

luz (onda) para obtener este fenómeno, el patrón de interferencia obtenido será una variación de

intensidades de franjas y/o anillos de luz y obscuridad. Ahora, debido a que la longitud de onda, por

ejemplo en el rango visible, es del orden de nanómetros, entonces será posible detectar muy pequeñas

variaciones en sus trayectorias y esto podrá ser notable al analizar los cambios de intensidad en el patrón

de interferencia. Como resultado, la interferencia óptica permite gran precisión para realizar mediciones

[2].

Emplear un patrón de interferencia para realizar mediciones es conocido como interferometría, técnica

que ha sido empleada por más cien años. Sin embargo, varios desarrollos nuevos han ampliado su alcance

y precisión, y han hecho que el uso de la interferometría óptica sea práctico para una amplia gama de

mediciones [2].

Los arreglos o instrumentos ópticos que generan interferencia son llamados interferómetros. Para lograr

la interferencia óptica se requieren ciertas condiciones importantes las cuales se mencionarán más

adelante y con más detalle en este documento. Una de las principales condiciones que deben cumplir

estos arreglos es que las ondas que se van a hacer interferir provengan de la misma fuente de modo que

dentro del mismo arreglo se debe generar una división del haz principal. Este propósito divide la

clasificación de interferómetros en dos grandes ramas: interferómetros de división de frente de onda, los

cuales dividen un haz de luz haciéndolo pasar por aperturas colocadas una a lado de la otra, sin embargo,

este método es útil sólo cuando las fuentes generadas son lo suficientemente pequeñas. La otra gama de

interferómetros es llamada de división de amplitud, los cuales dividen el haz parcialmente haciéndolo

pasar por superficies en las cuales parte de la luz se transmite y parte se refleja; éstos pueden ser empleados

para fuentes extendidas [3]. La versatilidad de los arreglos interferométricos da lugar a diferentes formas

de obtención de los patrones de franjas y/o anillos. Para ciertos arreglos la interferencia está “localizada”,

es decir, existe en una región en el espacio en la cual se puede identificar de manera intuitiva, pero existen

otros arreglos en los cuales la interferencia es “no localizada” y existe en una región extendida del espacio

[4].

Muchos conocimientos revolucionarios se descubrieron gracias al uso de éstos instrumentos: la naturaleza

de la luz debido al interferómetro de Young; la inexistencia del éter con el interferómetro de Michelson;

el fenómeno interferométrico asociado al movimiento de rotación con el interferómetro de Sagnac, por

mencionar algunos [2], [3]. Los interferómetros son ampliamente empleados en la ciencia y la industria

para medir pequeños desplazamientos, índices de refracción o irregularidades en superficies.

Determinar la calidad de componentes ópticas es de gran importancia para asegurar un correcto

desempeño de las mismas. Emplear interferometría para ello es de gran utilidad ya que la luz permite

identificar defectos que a simple vista o con instrumentos convencionales no podrían ser detectados.

El Interferómetro de Difracción por Punto (IDP) es un interferómetro de doble haz en el que una onda

esférica de referencia es generada por la difracción de un micro-orificio en una película semitransparente

al paso de una onda esférica convergente previa (proveniente de un sistema de iluminación) que después

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2

de sufrir una atenuación en su amplitud, continua propagándose convirtiéndose en una onda esférica

divergente. Debido a que ambas ondas esféricas siguen la misma trayectoria, en su propagación

interfieren, generando un patrón de interferencia no localizado.

Que las ondas generadas recorran el mismo camino óptico clasificaría al IDP en un interferómetro de

trayectoria común, característica que le brinda robustez y estabilidad ante vibraciones. Sin embargo,

debido a que divide el frente de onda tanto en amplitud (por acción de la película semitransparente) como

en frente de onda (haciéndolo pasar por el micro-orificio) no se puede clasificar como un interferómetro

de división de amplitud o de división de frente de onda.

El IDP es un interferómetro simple debido a las pocas componentes en las que consiste. Pese a no ser

tan sencillo de fabricar ya que requiere ciertos instrumentos y materiales, con este dispositivo se pueden

medir diferencias de caminos ópticos de forma directa [5], se pueden analizar frentes de onda [6] y

también evaluar calidades en superficies ópticas [7].

El propósito de este trabajo es evaluar la calidad de una superficie óptica analizando el patrón de

interferencia de la onda proveniente de dicha superficie y la onda esférica de referencia en un IDP. Dado

que el patrón de interferencia estará modificado en la distribución de sus franjas debido a la forma de los

defectos en la superficie bajo prueba, analizando estas deformaciones en el patrón de franjas, se podrá

inferir la forma y altura de los defectos en la superficie bajo prueba. Una vez conocidos los defectos en

la superficie, se empleará un modulador espacial de luz con el cual se corregirán los defectos del frente

de onda aberrado mediante funciones de fase generadas a partir del defecto previamente analizado. Con

el frente de onda corregido se espera encontrar un patrón de franjas de interferencia en el IDP sin

dislocaciones o corrimientos en sus franjas.

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3

2 Marco Teórico

2.1 Interferencia de campos ópticos

Considerando dos ondas electromagnéticas que pueden ser representadas matemáticamente por

las siguientes expresiones:

1 1 2 21 01 2 02, ; , ;

i t i tE r t E e E r t E e

1

Las fases 1 y 2 incluyen la dependencia espacial de las ondas y son independientes del tiempo. 1 y

2 corresponden a las frecuencias angulares de cada onda.

Suponiendo que la polarización de dichas ondas es lineal y a lo largo de los vectores 01E y 02E . Las

intensidades de dichas ondas vienen dadas por la expresión:

2

0 ( 1,2)iiI c E i 2

Con c como la velocidad de la luz en el vacío y 0 la permitividad eléctrica. Debido a que las oscilaciones

de los campos electromagnéticos son muy rápidas (≈1015 Hz) su valor instantáneo es difícil de obtener.

Por ello se requiere obtener el promedio temporal de su amplitud, denotado por el operador . Es

decir, se registra la energía radiante durante un intervalo de tiempo finito utilizando, por ejemplo, una

fotocelda, una placa de película o la retina de un ojo humano [4].

En la región donde estas ondas se superpongan, el campo resultante será simplemente la suma vectorial

de los campos de las ondas,

1 2E E E 3 Por lo que la intensidad luminosa resultante será:

2 2 2

1 2 1 2 1 20 0 2I c E E c E E E E

4

o bien, considerando la ecuación (2) y llamando 12I al último término,

1 2 12I I I I 5

Lo que indica que la superposición de las ondas consta no sólo de las intensidades de cada onda, sino

que también del término cruzado 12I . Ahora, si se considera que 1 2 éste término se anula al hacer

el promedio temporal [8] recuperando la expresión 1 2I I I que no da lugar a fenómenos de

interferencia. Cuando se tiene que 1 2 , el término 12I no es cero provocando variaciones en la

intensidad, ecuación (5), generando así los patrones de interferencia. Este término, 12I es conocido como

término de interferencia. Bajo este precepto se considerará entonces que la condición 1 2 es una

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4

condición necesaria para la interferencia. Condición lograda asegurando que los campos provengan de la

misma fuente de emisión. Bajo estas condiciones el término de interferencia se puede escribir:

1 2 01 0212 0 02 iI c E E c E E e 6

siendo,

1 2 7

Tomando la parte real del último factor de la ecuación (6),

01 0212 0 cosI c E E 8

De la expresión anterior se puede inferir que la interferencia depende estrictamente de la polarización de

las ondas ( 01E y 02E ) debido a que si ambas ondas fueren perpendiculares entre ellas, el producto escalar

01 02E E sería cero y por ende 12I sería cero también y no se observaría interferencia. En otro extremo

si las ondas fuesen paralelas el término de interferencia alcanza su más grande valor y el efecto de

interferencia sería máximo. La interferencia también depende estrictamente de la diferencia de fase .

Dando por hecho que la polarización entre las ondas es la misma, el término toma la mayor

importancia para dar lugar al fenómeno de interferencia.

Considerando solamente el carácter escalar de la ecuación (8) se tiene:

12 0 01 02 1 2cos 2 cosI c E E I I 9

simultáneamente,

1 2 1 22 cosI I I I I 10

Cuando cos 1 se obtiene un máximo en la intensidad de las franjas de interferencia, esto es cuando

se cumple:

2 ( 0,1,2,...)m m 11

en la diferencia de fase; de lo que se obtiene:

max 1 2 1 22I I I I I 12

Cuando cos 1 se obtiene un mínimo en la intensidad de las franjas de interferencia, esto es cuando

se cumple:

(2 1) ( 0,1,2,...)m m 13

en la diferencia de fase; de lo que se obtiene:

min 1 2 1 22I I I I I 14

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5

En relación con la distribución de intensidad entre máximos y mínimos resulta conveniente definir la

magnitud llamada visibilidad de las franjas como medida cuantitativa del contraste entre ellas:

max min

max min

I Iv

I I

15

2.2 Condiciones para la interferencia

2.2.1 Coherencia temporal

Una fuente de luz real jamás produce ondas estrictamente monocromáticas, ya que aún el más

fino espectro tiene un ancho de banda finito. Una fuente real jamás será una fuente puntual, dado que

tiene extensión finita, que consta de muchos emisores elementales (átomos). De tratarse de una fuente

puntual, las oscilaciones producidas por dicha fuente en cualquier punto del espacio serían una constante.

Pero en el caso de las fuentes reales esto nunca es así. La amplitud y fase de las vibraciones de una fuente

real sufren de fluctuaciones irregulares y lo rápido de éstas depende estrictamente del ancho espectral de

la fuente [3]. Sin embargo, existen fuentes que cumplen tener un ancho espectral lo suficientemente

pequeño como para que las fluctuaciones emitidas por esta, permanezcan constantes cierta longitud (o

tiempo) mientras se propagan, lo que se conoce como pulsos o trenes de onda [9]. El tiempo en el que

estas fluctuaciones mantienen una correlación constante en fase y amplitud se denota como tiempo de

coherencia 1t . Ya que la velocidad es la distancia recorrida por unidad de tiempo, un tren de

onda con longitud cl le toma cierto tiempo t pasar por un punto en el espacio de modo que:

0

0

c

cl c t

16

cl es conocida como la longitud de coherencia y análoga a t se define como la distancia en el que las

fluctuaciones de un tren de ondas mantienen una correlación constante en fase y amplitud.

Existe una estrecha relación entre la visibilidad de las franjas con la monocromaticidad de la fuente que

se esté empleando para llevar a cabo la interferencia [8], la cual viene dada por el ancho de banda 0 .

De la ecuación (16) se puede apreciar que entre más fino sea el ancho espectral de la fuente, más grande

será la longitud de coherencia, inversamente, si el ancho espectral es grande, cl será más pequeño. La

consecuencia de esto en términos de interferencia es que ésta sólo puede existir dentro de las dimensiones

de la longitud de coherencia, ya que fuera de ésta, la correlación en fase de los trenes de onda no es

constante y por ende la superposición de ondas no se podría apreciar. Matemáticamente esto viene

expresado por:

cL l 17

Siendo L la diferencia de camino óptico, la condición mostrada en la ecuación (17) indica que las

franjas se verán bien contrastadas si la diferencia de camino óptico entre los haces que interfieren es

mucho menor que la longitud de coherencia [8]. Un ejemplo claro de esto es que, si se trabajase con una

fuente de luz que emitiere en todo el espectro visible, es decir un ancho espectral grande, su longitud de

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6

coherencia sería aproximadamente de 1 m , entonces, sería posible obtener interferencia pero dentro de

este rango de longitud. Caso contrario al de un láser, que tiene un ancho espectral pequeño ( 610

), su longitud de coherencia es aproximadamente de 400m [4]. Es por ello que el láser es ampliamente

usado para arreglos interferométricos.

2.2.2 Coherencia espacial

Existe también una relación entre el tamaño de las fuentes empleadas y la visibilidad de las franjas.

Consecuencia también de que las fuentes reales no son fuentes puntuales, sino de extensión finita. En

general, a medida que la extensión de la fuente aumenta, la visibilidad de las franjas disminuye. Tomando

como modelo simplificado de fuente extensa aquella que está formada por un número muy grande de

emisores atómicos, los cuales se pueden considerar fuentes puntuales, y que emiten de forma

independiente unos de otros, es decir, son mutuamente incoherentes. La intensidad en cualquier punto

iluminado por esta fuente será la suma de las intensidades procedentes de todos los emisores puntuales

individuales [3].

La consecuencia del tamaño extenso de la fuente es principalmente que la radiación de cada emisor en

un punto del espacio es incoherente una de la otra debido a que entre más alejado un emisor esté de otro,

los principios físicos que estimulan la radiación pudieran estar ocurriendo a diferente tiempo o a diferente

intensidad, de modo que obtener una correlación constante entre emisiones resulta casi imposible.

Reducir el tamaño de la fuente, no asegura una correlación perfecta entre emisiones, pero garantiza que

al menos se cumple cierta correspondencia entre tiempos de estimulación y por ende los emisores

radiarán en misma frecuencia e intensidad. Esto recibe el nombre de coherencia espacial. Las fuentes

pequeñas son más coherentes espacialmente que las fuentes extensas.

2.3 Superposición de dos ondas esféricas

Si las ondas que se están superponiendo son esféricas, es fácil ver que las franjas de interferencia

están formadas por una familia de hiperboloides de revolución con focos comunes situados precisamente

en las fuentes puntuales que generan dichas las ondas. Considerando las ondas esféricas escalares:

1 1 2 2( ) ( )01 021 2

1 2

( , ) , ( , )i kr wt i kr wtE E

E r t e E r t er r

18

siendo 1r y 2r las distancias desde las fuentes luminosas al punto considerado. La diferencia de fase

queda definida como:

2 1 2 1 2 1

0

( ) 2 ( )L

k r r

19

donde 2 1( )L n r r es la diferencia de camino óptico. El lugar geométrico de constante es el de

los puntos cuya diferencia de distancias 2 1r r a las fuentes luminosas es constante, que es un

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7

hiperboloide de revolución cuyos focos son las fuentes [8]. Por tanto, la figura de interferencia que se

obtiene al variar consiste en una familia de hiperboloides.

Fig. 1 (a) Las franjas de interferencia no localizadas producidas por dos fuentes esféricas son hiperboloides de revolución alrededor del eje S1-S2, (b) Hipérbolas resultantes de la intersección de los hiperboloides con un plano que pasa por S1 y S2

[8].

Cómo se puede ver de la figura 1, la interacción de las ondas se da en todo el espacio que rodea a las

fuentes. Dependiendo de dónde se ubique el plano de observación se definirá la geometría del patrón de

interferencia. Si la pantalla se colocase paralela a este eje, pero lejos del mismo, se observarían franjas

paralelas. De colocar el plano de observación perpendicular al eje que contiene las fuentes, el patrón

observado resulta en anillos concéntricos, ver figura 2.

Fig. 2 La distribución de las franjas varía en función de la ubicación del plano de observación.

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8

2.4 Interferómetro de difracción por punto

El interferómetro de difracción por punto (IDP) es un interferómetro de doble haz en el que

una onda esférica de referencia es generada por la difracción de un micro-orificio en una película

semitransparente al paso de una onda esférica convergente previa (generalmente producida por una lente,

ver figura 3) [10], [11]. La placa semitransparente con el micro-orificio es colocada en el punto focal de

la onda esférica principal, donde se genera una distribución de intensidad tipo “Airy”. El micro-orificio

debe ser colocado aproximadamente en el segundo máximo de la distribución.

Por el efecto de difracción, en el micro-orificio se genera una onda esférica de referencia; la onda esférica

convergente, después de sufrir una atenuación en su amplitud debido a la película semitransparente, sigue

su trayectoria y ahora se convierte en una onda esférica divergente. La atenuación es necesaria para que

así las intensidades de ambas ondas sean similares. Debido a que las ondas siguen las mismas trayectorias,

en su propagación interfieren, generando un patrón de interferencia no localizado.

Fig. 3 Esquema de un Interferómetro de Difracción por Punto.

2.4.1 Análisis teórico para un IDP

El campo propagado después de la placa semitransparente es la suma de la onda esférica de referencia,

generada en el micro-orificio, con la onda esférica divergente proveniente del sistema de iluminación, la

cual es atenuada por la función de transmitancia de la película semitransparente depositada sobre el vidrio.

La onda proveniente del micro-orificio de la placa se calcula mediante la teoría de difracción de Fresnel

[12]:

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9

Fig. 4 Diagrama de análisis para la onda del micro-orificio.

Como puede verse en la figura 4, el plano de análisis corresponde al plano con las coordenadas 𝑥′ y 𝑦′,

el plano desde el cual se propaga el campo corresponde al de coordenadas 𝑥 y 𝑦. Por difracción de

Fresnel, la distribución del campo propagado, partiendo del micro-orificio con radio a, es:

2 2'

' '2 '

0

0 0

( ', ') ,'

v

a a ikikzx x y y

i zorificio v

eg x y t e g x y e dxdy

i z

20

el campo a propagar es:

2 2

200 ,

k x yi

zikzAg x y e e

z

21

que representa una onda esférica (en aproximación de Fresnel [13]) y,

vi

vt e

22

representa la transmitancia y la fase de la placa de vidrio. No se considera la acción de la película delgada

debido a que ésta onda se genera en el micro-orificio, donde sólo existe el vidrio.

Los límites de integración están definidos para dentro del micro-orificio (0, )a . Dentro de éste, 'z es

mucho más grande que x y y de modo que se cumple la condición: 2 2'z x y y en consecuencia,

para la onda esférica:

2 2

2 '1

k x yi

ze

23

Bajo ésta consideración y omitiendo ciertas constantes, el campo en la ecuación (20) quedan de la forma:

2 2

' '2 '

0 0

( ', ') v

a a ikx x y y

i zorificio vg x y t e e dxdy

24

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10

Desarrollando el factor de fase del integrando,

2 2 2 2 2 2

' '2' ' ( ' ' ) ( )

' '2 ' 2 ' 2 '

0 0 0 0

x ya a a aik k k i x yx x y y i x y i x yz zz z ze dxdy e e e dxdy

25

Omitiendo la constante de fase cuadrática fuera de la integral y realizando cambios de variables de

coordenadas cartesianas a coordenadas polares [12], [14], se obtiene el siguiente resultado:

1

2 2

'

''( ', ') 2 2

' '

'

v vi i

orificio v v

akrJ

akrzg x y t e a t e a Jinc

akr z

z

26

Con 'r como el radio del área de observación.

Éste resultado representa la distribución del campo proveniente del micro-orificio de la placa

semitransparente. Cabe mencionar que ésta función sólo corresponde a una redistribución de la

intensidad del frente de onda incidente (un frente de onda esférico convergente) la cual corresponde a

un patrón de difracción de una apertura circular [12]. Y es por lo mismo que no describe al campo en su

totalidad ya que carece de la fase apropiada. Para solucionar esto se le añade una fase esférica tomando

en cuenta ciertas consideraciones pertinentes: el campo incidente a la placa posee una fase esférica y el

micro-orificio es lo suficientemente pequeño de modo que el campo a la salida del mismo se puede

aproximar a una onda esférica ideal. Así, el campo proveniente del micro-orificio de la placa queda

descrito como:

2 ''

( ', ') 2'

vi ikr

orifcio v

akrg x y t e a Jinc e

z

27

el cual conforma la onda esférica de referencia para el IDP.

Como se mencionó anteriormente, la onda de referencia del IDP interfiere con la onda

proveniente del sistema de iluminación, la cual consta de una onda esférica divergente. El diagrama de

análisis para la misma se puede ver en la figura 5. Ésta onda puede ser representada por su descripción

matemática (en aproximación de Fresnel [13]) con forma:

2 2( ' ' )'0 2 'e

'

ki x y

ikz zA

ez

28

Esta descripción resulta conveniente debido a que el factor de fase cuadrático corresponde a la función

de transmitancia de una lente con extensión infinita si se considera z como f, [12]. Para limitar el campo

a una extensión finita, basta con multiplicar la función de transmitancia de la lente por una función pupila

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11

Fig. 5 Diagrama de análisis para la onda esférica.

que describa el área física de la lente. Con ésta descripción el campo se ajusta más a parámetros reales del

sistema empleado.

2 2( ' ' )

'0 2 'e ,'

ki x y

ikz zA

e P x yz

29

Con

1

', '0

x AP x y

x A

30

Con A como el área de la apertura de la lente.

El campo completo correspondiente a la onda esférica del sistema de iluminación queda entonces descrito

de la siguiente forma:

2 2( ' ' )

'0 2 '', ' ', ' e'

ki x y

i ikz zOE

Ag x y te P x y e

z

31

Con ite como transmitancia y fase de la película delgada de aluminio y el vidrio. En este caso se debe

considerar ambos materiales debido a que la onda pasa a través de los dos.

Finalmente, el campo en el plano de observación queda descrito por la suma de ambas ondas (ver figura

6):

', ' ', ' ', 'OE orificiog x y g x y g x y 32

Es importante mencionar que al analizar fenómenos interferenciales la información que se obtiene de los

campos no es más que un patrón de intensidades; franjas de luz y obscuridad, resultado de la diferencia

de fase entre las ondas involucradas:

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12

1 2 1 22 cosI I I I I 33

Fig. 6 Diagrama de análisis del IDP, campos propagados.

Tomando en cuenta que, para un buen contraste de las franjas, las amplitudes de ambas ondas deben de

ser similares, de primer instancia la transmitancia del vidrio se consideró unitaria. Así, el patrón de

intensidades para un IDP en el plano de observación queda descrito como:

2 22 4 2

2

' 4 '4 cos

' 'IDP

akr t t a akrI a Jinc Jinc

z z z z

34

Siendo 𝛿 la fase entre los campos:

2 2' ´ ´2 '

p

kkr kz x y

z

35

Siendo 𝜙p la diferencia de fase correspondiente a los materiales de la placa (aluminio y vidrio) para cada

onda. El término entre corchetes no es más que la diferencia de fase entre la onda esférica de referencia

y la onda esférica paraxial proveniente del sistema de iluminación.

Todas las ecuaciones anteriores, evidencian que los factores de peso a considerar para analizar la

distribución de intensidades en el plano de observación son: el radio del micro-orificio, la transmitancia

y fase de la placa de vidrio y la película de aluminio, la distancia del plano de observación y la diferencia

de fase inherente a las ondas en el sistema.

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13

3 Fabricación de placas para IDP

3.1 Laboratorio de películas delgadas

El trabajo principal en este laboratorio consistió en la elaboración de la placa semitransparente con el

micro-orificio, fundamental para un IDP.

El proceso de elaboración comienza con la limpieza de un portaobjetos. La limpieza consiste

fundamentalmente de tres pasos, limpieza con jabón, limpieza con acetona y finalmente limpieza con

alcohol isopropílico. Una vez que la placa se considera limpia (después de haber sido inspeccionada

rigurosamente con un microscopio) se procede al siguiente paso.

Dado que la placa de vidrio será sometida a un proceso de sublimación inversa en donde se depositará

una película delgada de aluminio sobre ésta, es necesario que donde se espera tener un micro-orificio no

se deposite nada del material a sublimar. Esto se logra colocando una micro-gota de mercurio sobre la

placa de vidrio. Después de la sublimación la gota es retirada y de este modo se logra obtener un micro-

orificio con transmitancia del 100% mientras que en el resto de la placa, por acción de la película

semitransparente de aluminio, se tiene una transmitancia de aproximadamente 15%.

Para generar las micro-gotas de mercurio se coloca una gota de tamaño manipulable sobre la placa de

vidrio, después se presiona con otra placa con el fin de romper la primera y generar gotas cada vez más

pequeñas. Por la misma tensión superficial (recordando que a temperatura ambiente el mercurio se

comporta como un líquido) las gotas y micro-gotas tienen simetría esférica. Éstas se van inspeccionando

con la ayuda de un microscopio, ver figuras 7 y 8.

Fig. 7 Gotas de mercurio sobre placa de vidrio.

Cuando las gotas tienen el tamaño adecuado, son seleccionadas y trasladadas a una placa limpia. El

traslado resulta complicado debido al tamaño de las gotas, que en promedio son de aproximadamente de

10 a 20 micras de diámetro. El procedimiento se realiza empleando una aguja de una jeringa de insulina

de 50 unidades. La gota se toca varias veces hasta que se adhiere a la aguja, luego se coloca la placa limpia

y ahora se realiza el proceso inverso, se toca con ella la placa hasta que se caiga o adhiera a ésta.

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14

a) b)

Fig. 8 a) Selección de micro-gota del tamaño apropiado (15 micras), b) Micro-gota en sustrato limpio

Una vez que las placas tienen la micro-gota respectiva están listas para depositar la película

semitransparente. Empleando una evaporadora convencional marca Balzers se realizan evaporaciones a

distintos espesores (aproximadamente 0.03 micras de espesor). Terminada la evaporación, las micro-gotas

de mercurio son retiradas de las placas mediante aire comprimido. Posteriormente la placa es revisada en

el microscopio para corroborar que la sublimación inversa del aluminio ocurrió en toda la placa menos

en el lugar de la gota, ver figura 9.

Fig. 9 Revisión de la placa semitransparente con orificio.

Si la placa se considera de buena calidad, es decir, con el micro-orificio bien formado y la película de

aluminio sin algún tipo de discontinuidad o defecto. Las placas están listas para probarse en el laboratorio

de instrumentación óptica.

Fig. 10 Versión final de las placas (Gota de mercurio).

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15

3.2 Laboratorio de microelectrónica

El proceso de generación de las placas para el IDP en este laboratorio es análogo al de laboratorio

de películas delgadas en su primera parte ya que se comienza de un mismo proceso de limpieza de los

sustratos (portaobjetos).

Los portaobjetos son sometidos a una primer limpieza de acetona y tricloroetileno. Después reciben

baños ultrasónicos de 5 a 10 minutos y finalmente todo exceso de humedad es retirado dentro de una

secadora centrífuga. En caso de no haber eliminado la humedad en su totalidad de las muestras, son

llevadas a un horno precalentado a 50°C por 10 minutos. Todo esto para garantizar sustratos limpios y

secos. Posteriormente, son colocadas en una máquina evaporadora en donde se les deposita una película

delgada de aluminio en una de las caras del sustrato mediante una sublimación inversa, con espesores de

0.02, 0.03 y 0.04 micras. Hasta este punto el proceso es similar al de las placas con gota de mercurio, pero

sin la micro-gota. Cabe mencionar que dependiendo de la taza en la que se sublime el material se puede

controlar el espesor de la película resultante.

La generación del micro-orificio en éste proceso varía respecto al de la micro-gota principalmente por

que el proceso empleado es el de fotolitografía [15] en el cual básicamente se diseñan unas mascarillas

con un patrón a imprimir. En este caso la mascarilla constó de un arreglo de micro-orificios con diámetros

variados de 5 a 25 micras, ver figura 11. Estas mascarillas son primeramente hechas en grandes

dimensiones y después van siendo reducidas hasta obtener el tamaño apropiado. Las mascarillas sirven

para “abrir ventanas” en el sustrato con el depósito de aluminio, al paso de luz, lo suficientemente

energética para remover el sustrato, generando así los micro-orificios.

Fig. 11 Esquema representativo de la mascarilla empleada para el proceso de microlitografía (no refleja las dimensiones reales).

El proceso comienza con los sustratos ya recubiertos con la película delgada de aluminio. A éstos se les

añade una segunda película, sobre la primera, de un material fotoresistente (comúnmente Silanol, SiOH)

mediante un proceso similar de sublimación inversa. El sustrato ahora es colocado frente a una fuente

lumínica de alta potencia (UV, 350-450nm). La mascarilla previamente diseñada se coloca entre el sustrato

y la fuente de luz. Ésta actúa como un filtro permitiendo que la luz sólo incida en ciertas partes en el

sustrato. Las partes expuestas a la luz cambian su estructura debido a un proceso fotoquímico y mediante

un tratamiento químico posterior son eliminadas, dejando en descubierto partes de la película delgada de

aluminio. Un tratamiento químico más elimina el aluminio expuesto, abriendo las ventanas de los micro

orificios. Finalmente el material fotoresistente no afectado por la luz también es removido. El resultado

es la impresión del patrón de la mascarilla sobre la película delgada sobre el sustrato. Un esquema

representativo del proceso se muestra en la figura 12.

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16

Fig. 12 a) Fotoimpresión del patrón sobre sustrato b) Patrón impreso c) Silanol removido d) Vista representativa del sustrato final.

Fig. 13 Versión final de las placas (Microlitografía)

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17

3.3 Índice de refracción de las placas

Para describir en su totalidad la acción de las placas del IDP al paso del frente de onda que se

hará incidir sobre éstas, es necesario conocer tanto el espesor como el índice de refracción de los

materiales que componen a las placas. Para la parte de vidrio se empleó un refractómetro con el cual se

obtuvo un índice de refracción de 1.514. El espesor se midió con un vernier de precisión con el cual se

calculó un ancho de 3mm. Para la parte de aluminio se recurrió a la medición estimada de la sublimación

inversa para cada ancho deseado, es decir, se obtuvieron tres espesores diferentes para la parte de

aluminio: 0.02, 0.03 y 0.04 micras de ancho. El índice de refracción se obtuvo de recursos bibliográficos

[16]. Así para una λ=632.5nm el aluminio tiene un índice de refracción aproximado de: na=1.396.

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18

4 Simulaciones computacionales de un IDP

4.1 Simulación computacional de un IDP

La realización de las simulaciones numéricas se basó principalmente en la teoría desarrollada en

la sección 2.4.1. Las simulaciones, esencialmente constan de un espacio de trabajo de dimensiones finitas,

cuyos parámetros corresponden a la pupila (apertura) de un sistema de iluminación, del cual proviene la

onda esférica convergente-divergente; también se modeló la onda de referencia proveniente del micro-

orificio y la interferencia de ambas ondas. Dado que los resultados obtenidos en el desarrollo de la teoría

poseen valores físicos reales, las simulaciones también los poseen. Esto permite que los parámetros físicos

considerados vayan acorde a los parámetros del experimento. Variando computacionalmente dichos

parámetros, como pudiera pasar experimentalmente, se pueden predecir ciertos comportamientos de un

IDP real. Estos comportamientos proporcionan información adicional sobre el mismo IDP así como

información para la evaluación de componentes ópticos como se mostrará posteriormente.

Los parámetros iniciales de las simulaciones constan básicamente de las dimensiones del espacio de

trabajo (una matriz en la cual se generaran las ondas e interferencia de las mismas), la longitud de onda

empleada, distancias de observación, distancias de ubicación de la placa e índices de refracción de los

materiales en la misma. Dado que experimentalmente se consideró una fuente de luz cuasimonocromática

se definió una longitud de onda de 0.6325µm (632.5nm). Así las dimensiones quedan fijas en micrómetros

para todo el sistema. Dado que las simulaciones se realizaron en el software de MATLAB 2017 se

emplearon arreglos matriciales y como experimentalmente la óptica está contenida (generalmente) en

geometrías circulares, se generó un soporte circular dentro del espacio matricial. Dicho soporte conforma

el área de trabajo y por ende la apertura (pupila) del sistema, no forzosamente del tamaño real de la pupila

del arreglo experimental, ya que esta dependerá del tamaño de las matrices que se estén empleando. Cabe

mencionar otro parámetro importante: la variación espacial de las ondas, descrita por el número de onda

𝑘 el cual queda definido empleando la longitud de onda mediante la relación: 𝑘 = 2𝜋/𝜆.

Los parámetros particulares de las simulaciones comprenden datos de los campos a interferir y se pueden

notar de las expresiones que describen dichos campos:

Del campo proveniente del micro-orifico de la placa de vidrio los parámetros importantes a considerar

son: transmitancia y fase de la placa de vidrio, radio del micro orificio, área del plano de observación y

distancia al plano de observación.

Para la onda proveniente del sistema de iluminación son: transmitancia y fase de la placa de vidrio,

transmitancia y fase de la película delgada de aluminio, área del plano de observación y distancia al plano

de observación.

Es importante considerar la acción que generan la transmitancia y la fase intrínsecas tanto del vidrio como

del aluminio de la placa. La transmitancia del aluminio juega un papel fundamental para atenuar la onda

esférica convergente del sistema de iluminación ya que la onda del micro-orificio posee una amplitud baja

en comparación. La onda esférica deberá atenuarse en la proporción adecuada para que la intensidad

2 2( ' ' )

2 ' '0 2 ''

( ', ') 2 & ', ' ', ' e' '

v

ki x y

i ikr i ikz zIDP v OE

Aakrg x y t e a Jinc e g x y te P x y e

z z

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19

registrada, producto de la interferencia de las dos ondas, posea un alto contraste para su posterior análisis.

La transmitancia del vidrio se considera del 100% ya que puede considerarse un material no absorbente.

Por tratarse de materiales con índice de refracción y espesor conocidos, las fases que introducen tanto el

vidrio como el aluminio también han de considerarse ya que añaden un cambio en el camino óptico de

los campos que pasan por ellos y pese a que pueda ser mínima la variación resultante en el interferograma,

ha de tomarse en cuenta para aproximar las simulaciones a los experimentos reales y para evitar introducir

errores en los resultados.

Considerando todos estos parámetros, el diagrama de flujo del algoritmo de las simulaciones queda

descrito de manera general, en la figura 14. El código empleado se muestra en el Anexo I.

Fig. 14 Diagrama de flujo de la simulación numérica para un IDP.

El resultado de la simulación numérica se puede ver en la figura 15.

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20

Fig. 15 Simulación numérica de un IDP. 𝜙orificio=6 micras, nv=1.514, nAl=1.396, z’=55cm.

Todas las simulaciones realizadas mantuvieron estos mismos parámetros. Sin embargo, para algunos

análisis se variaron. Las secciones siguientes describen cada variación y su respectivo resultado.

4.1.2 Efectos presentes en un IDP (resultados computacionales)

Se mencionó previamente que existen diversos parámetros inherentes al IDP que al variar

provocan efectos en el patrón de franjas del mismo, a continuación se muestran los resultados

computacionales:

Variación del espesor de la película de aluminio

La consecuencia directa de variar el espesor de la película de aluminio es una menor transmitancia de

ésta, provocando una atenuación mayor de la onda esférica proveniente del sistema de iluminación.

Aunque el efecto no es muy apreciable el aumento del espesor también añade cierto desplazamiento o

“defoco” a la onda por el cambio de camino óptico añadido, ver figura 16. Dado que experimentalmente

las placas del IDP no varían en el espesor del vidrio y su transmitancia se puede considerar del 100%,

sólo se limitó a realizar variaciones de parámetros en la película de aluminio, sin embargo, los efectos

ocasionados por la placa de vidrio también están considerados.

Fig. 16 Esquema del desplazamiento o defoco de la imagen de un objeto debido una placa plano paralela.

Para realizar esta simulación se aumentó el espesor de la película de aluminio con un valor inicial de 0.03

micras, tomando ésta con el 100% de transmitancia. Al aumentar el espesor de la misma, los valores de

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21

transmitancia disminuyen, comprometiendo el contraste de las franjas ya que la onda de referencia que

proviene del micro-orificio no varía en su amplitud y por ende tiene mayor intensidad que la onda

atenuada por la película de aluminio. Ver figura 17.

a) b) c) d)

Fig. 17 Interferogramas obtenidos en la simulación de un IDP para diferentes espesores de la película de aluminio con transmitancias de: a) 100%, b) 90%, c) 80% y d) 70%

También se obtiene un corrimiento en las franjas, producto del defoco inducido por la película plano-

paralela. La figura 18 muestra la comparación de interferogramas junto con un acercamiento del mismo

donde se observa la dislocación de franjas en el interferograma.

a) b)

c)

Fig. 18 Corrimiento de franjas debido al defoco inducido por la película de aluminio. a) Comparación de interferogramas de 100% y 70% de transmitancia. b) Acercamiento a la zona central derecha. c) Vista transversal (normalizada) del perfil de

interferencia.

Inte

nsi

dad

[u.a

.]

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22

Variación del radio del micro-orificio

Dado que en la fabricación de las placas para el IDP también el tamaño del micro-orificio es un factor el

cual se puede variar, se realizó la simulación de varios IDP’s con diferentes orificios, variando el diámetro

desde 10 a 20 micras.

Las simulaciones muestran que, al variar el tamaño del orificio, la distribución espacial de la onda de

referencia varía inversamente, es decir, conforme el orificio crece la distribución de la onda decrece y

viceversa ver figura . Fenómeno acorde a la teoría de difracción de Fresnel si se considera el teorema de

similaridad inherente a una transformada:

1

, ,u v

F g ax by Gab a b

Teorema que indica que un “ensanchamiento” de las coordenadas en el dominio espacial resulta en una

contracción de las coordenadas en el dominio frecuencial.

Onda del micro-orificio Onda esférica Interferencia

𝜙=10µm

𝜙=12µm

𝜙=14µm

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23

𝜙=16µm

𝜙=18µm

𝜙=20µm

Fig. 19 Variación del tamaño del micro-orificio. Interferogramas resultantes.

Dado que la distribución de intensidad varía para la onda de referencia, también el contraste de las franjas

en el patrón de interferencia resulta afectado.

Un caso particular que vale la pena analizar sería el de un orificio suficientemente grande, generando una

distribución del campo lo suficientemente pequeña como para poder observar el patrón de difracción del

mismo. Para un radio de 25 micras, la distribución del campo difractado se puede observar en la figura

20.

Fig. 20 Patrón de difracción de una apertura circular.

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24

Distribución que coincide con la difracción de una apertura circular [3], [12].

Desplazamientos laterales y verticales de la placa de un IDP

Las simulaciones muestran el resultado de mover la placa sobre el plano (𝑥, 𝑦) en el que se encuentra.

Un esquema representativo se puede ver en la figura 21.

Fig. 21 Diagrama de análisis para desplazamientos laterales y verticales de la placa en un IDP.

Los resultados computacionales se muestran en la figura 22.

Fig. 22 Diferentes desplazamientos laterales y verticales para la placa de un IDP. Δx=10µm y Δy=10µm.

Δx

Δy

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25

Físicamente lo que ocurre es un desplazamiento del origen de la onda esférica generada en el micro-

orificio. Esquemáticamente, el proceso es descrito en la figura 23.

a) b)

Fig. 23 Esquema representativo de un desplazamiento lateral de la placa en un IDP. a) Placa centrada. b) Placa desplazada

Desplazamiento axial de la placa de un IDP (Defoco)

El resultado de desplazar axialmente la placa del IDP produce una variación del radio de curvatura de las

ondas en el plano de detección. El efecto es conocido como defoco. Ver figura 24. Esta variación en los

frentes de onda, cambiará la región de separación entre ellos (ver figura 25) lo que en el patrón de

interferencia se podrá observar como un aumento o disminución de las franjas de interferencia.

Fig. 24 Geometría de la separación entre dos ondas esféricas con diferente radio de curvatura [17].

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26

a)

b)

c)

Fig. 25 Diagrama representativo de un desplazamiento axial de la placa de un IDP. a) sin desplazamiento, b) desplazamiento

hacia atrás del punto de convergencia, c) desplazamiento hacia adelante del punto de convergencia.

Las simulaciones numéricas muestran la variación del interferograma al realizar desplazamientos axiales

de la placa del IDP, esto se logra desplazando el origen de la onda del IDP. Ver figura 26.

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27

a)

b)

Fig. 26 Desplazamiento axial de la placa de un IDP. Partiendo desde el punto focal hacia atrás y hacia adelante. a) Desplazamiento hacia atrás, distancia máxima: ∆z~1mm, b) Desplazamiento hacia adelante, distancia máxima: ∆z~1mm.

Para ciertos desplazamientos de defoco (∆𝑧 > 1𝑚𝑚), se pueden apreciar interferogramas con

aberraciones esféricas [17]. Ver figura 27.

Fig. 27 Defoco para interferogramas con aberración esférica.

Una combinación de desplazamientos laterales o verticales de la placa junto con defoco, también

permiten ver fenómenos relacionados con la aberración asférica, ver figura 28.

Δz=1mm, Δx=50µm Δz=2mm, Δx=80µm Δz=2.5mm, Δx=200µm Fig. 28 Aberración esférica ante la combinación de defoco y desplazamientos laterales de la placa en un IDP.

Bajo muy específicas condiciones, empleando la combinación de ambos efectos, es posible hallar regiones

en donde se puedan generar franjas rectas, paralelas e igualmente espaciadas, ver figura 29.

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28

Δz=2.5mm, Δx=200µm

Fig. 29 Obtención de franjas rectas paralelas e igualmente espaciadas.

Es importante mencionar que hasta este punto los resultados obtenidos son meramente cualitativos.

4.2 Simulación de un IDP para probar superficies esféricas con defectos

locales

En esta sección del trabajo se presentan las simulaciones computacionales de un IDP realizando una

variación en la onda esférica paraxial que proviene del sistema de iluminación. Básicamente se modificó

la fase de la onda esférico paraxial añadiendo funciones de fase que simulan defectos en el frente de onda.

Un esquema representativo del fenómeno que ahora se está modelando se presenta en la figura 30.

Fig. 30 Esquema representativo de un IDP analizando una superficie esférica con defectos.

La onda permanece siendo esférica, pero con dislocaciones o defectos en su fase. Esta variación modifica

el programa original solamente en la onda esférica paraxial, el resto del algoritmo se mantiene igual. El

diagrama de flujo de éste nuevo programa se describe en la figura 31. El código empleado se muestra en

el Anexo II.

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29

Fig. 31 Diagrama de flujo de la simulación numérica para un IDP probando superficies esféricas con defectos.

Para la generación de defectos locales dentro de las simulaciones numéricas se emplearon geometrías

básicas dentro de la programación de matrices, por ejemplo, geometrías circulares y cuadradas, la

combinación de ambos, e incluso algunas funciones bidimensionales más complejas. Para darle valores

útiles a éstas dislocaciones o defectos, primeramente son normalizados y posteriormente se multiplican

por múltiplos (no forzosamente enteros) de longitudes de onda. Dado que los defectos no son más que

distribuciones espaciales de una combinación de puntos, se pueden ver como una función escalar

bidimensional 𝑡(𝑥, 𝑦), ver figura 32.

Fig. 32 Función bidimensional cuyos valores son múltiplos de longitudes de onda.

Una vez que se define dicha función, para que ésta tome valores de fase, simplemente se define una

función compleja con la forma:

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30

,i k t x ye

la cual mantiene amplitud unitaria debido a que sólo interesa la fase que añade a la onda esférica. Es esta

función la que computacionalmente modifica la fase de la onda esférica.

2 2( ' ' ) ,'0 2 '', ' ', ' e

'

ki x y ikt x yi ikz z

OE

Ag x y te P x y e e

z

El proceso de generación de los defectos y su efecto sobre la onda esférica se ve descrito a continuación.

Después de haber convertido la función 𝑡(𝑥, 𝑦) en una función de fase, se multiplican la función de

transmitancia con la onda esférica y dado que ésta función afecta no la amplitud sino la fase el resultado

se aprecia observando los cambios en la fase de la onda, ver figura 33.

a)

b)

Fig. 33 a) Fase de la onda esférica sin modificaciones. b) Fase de la onda esférica después de ser modificada por la acción de los defectos.

Es importante hacer mención que en las imágenes mostradas previamente los defectos fueron exagerados

en sus dimensiones para propósitos de visualización.

El resultado de hacer interferir los frentes de onda: onda esférica aberrada con la onda de referencia se

puede ver en la figura 34.

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31

Fig. 34 Simulación de un IDP para una superficie con defectos.

La acción de los defectos en el interferograma provoca un corrimiento en las franjas de interferencia.

Los resultados hasta aquí mostrados han sido simulando defectos simples, pero la versatilidad que ofrece

la programación de funciones bidimensionales permite generar formas más complejas para las cuales los

interferogramas cambian de formas variadas, algunos ejemplos se muestran en la figura 35.

Fig. 35 Simulaciones de IDP’s para diferentes superficies con defectos de geometrías complejas.

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32

4.2.1 Efectos de un IDP para el análisis de los defectos en una superficie

Algunas características inherentes de un IDP permiten conocer información adicional de los

defectos en una superficie bajo prueba. Particularmente en esta sección se mencionarán tres:

desplazamientos laterales, verticales y axiales de la placa semitransparente que, acorde a las simulaciones

computacionales y como se verá más adelante en el trabajo, facilitarán el análisis de las franjas de

interferencia, con el fin de caracterizar la superficie óptica bajo prueba.

Primeramente, el hecho de conocer los defectos en el frente de onda esférico y tras analizar un poco el

interferograma permite inferir algunas cosas importantes: Si los defectos son positivos (múltiplos

positivos de lambdas) lo cual se traduciría en una “protuberancia” en la superficie bajo prueba, las franjas

se corren hacia fuera del interferograma. Si los defectos son negativos: una “abolladura” sobre la

superficie, las franjas se corren hacia dentro del interferograma. Un ejemplo visual se muestra en la figura

36.

a) b)

Fig. 36 Interferogramas para un frente de onda aberrado con defectos a) positivos b) negativos. Se muestran los perfiles de la

onda con los defectos respectivamente.

Para la obtención de los interferogramas anteriores los múltiplos de longitudes de onda que definen las

alturas de los defectos en el frente de onda esférico se hicieron primeramente positivos, y posteriormente

negativos.

Desplazamientos laterales y verticales de la placa semitransparente

Por la naturaleza de los campos que interfieren en el IDP: dos ondas cuasi-esféricas, sería fácil considerar

que un desplazamiento lateral de las mismas resultaría conveniente para el análisis de franjas ya que se

tendrían franjas rectas paralelas e igualmente espaciadas y en los defectos dislocaciones o corrimientos de

las mismas, igual que un interferómetro de Michelson [3], [18]. Sin embargo, en un IDP por la naturaleza

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33

de los campos y la zona en la que éstos se generan, la cual es la placa semitransparente, un desplazamiento

lateral o vertical demasiado grande, fuera de la zona de convergencia del frente de onda esférico-

convergente, provocará que la onda de referencia no se pueda generar y en consecuencia no existirá

interferencia, ver figura 37.

a) b)

Fig. 37 Esquema representativo de la comparación de un desplazamiento de la placa del IDP a) dentro de la zona de

convergencia b) fuera de la zona de convergencia.

Debido a esta limitación, obtener un patrón de franjas rectas, paralelas e igualmente espaciadas resultará

difícil en un IDP. Sin embargo, el efecto de los desplazamientos laterales y verticales de la placa en un

IDP puede ofrecer un barrido de las franjas de interferencia, ver figura 38. Dicho barrido o

desplazamiento de las franjas puede resultar útil para propósitos de análisis de los interferogramas.

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34

a) b)

Fig. 38 Simulación del desplazamiento lateral de la placa de un IDP. a) IDP para una onda sin aberraciones b) IDP para una onda aberrada.

Desplazamiento axial (Defoco)

Como se mostró anteriormente, el resultado de variar axialmente la posición de la placa del IDP

compromete el número de franjas en el interferograma. A continuación se muestran los resultados del

mismo efecto de defoco con una superficie con defectos, ver figura 39.

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35

a) b)

Fig. 39 Simulación de defoco en un IDP a) IDP para una onda sin aberraciones b) IDP para una onda aberrada Δz≈500µm.

Esta información resulta práctica para el análisis de franjas para conocer la fase añadida por los defectos

en el frente de onda. Por ejemplo: de tener pocas franjas, el análisis sería muy localizado y sin abarcar la

totalidad del defecto. Sin embargo, empleando el defoco desplazando la placa y en consecuencia

añadiendo franjas sobre la dislocación, es posible analizar un área mayor para el análisis interferométrico.

También, el desplazamiento de las franjas, de forma visual, proporciona una idea de la geometría del

defecto. Ver figura 40.

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36

a)

b)

Fig. 40 IDP para una superficie con defecto. a) Pocas franjas b) después de cierto defoco aumenta el número de franjas.

4.3 Corrección de fase de los frentes de onda para compensar defectos locales.

En esta sección se hablará sobre el análisis interferométrico de las simulaciones de un IDP para

superficies con defectos. Una vez caracterizado el defecto conociendo sus dimensiones se procede a

obtener la diferencia de camino óptico del mismo y en consecuencia la fase añadida al frente de onda

esférico-convergente. Con dichos valores de fase, se genera una mascarilla local (sobre el defecto) en una

matriz nula, es decir que no afecte significativamente el frente de onda, con los valores inversos de fase

del defecto calculado con el fin de compensarlo y en teoría obtener un interferograma sin dislocaciones

en las franjas. El objetivo de esto es poder tener una caracterización completa del defecto analizado y

esto solamente se podrá garantizar cuando la correlación entre un interferograma no aberrado vs uno

compensado, sea cercano a la unidad.

4.3.1 Análisis interferométrico para un IDP – Desplazamiento de fase

La interferometría de desplazamiento de fase es un método que registra una serie de

interferogramas en los que la fase de uno de los dos haces que interfieren se modifica por una cantidad y

dirección conocidas. Esta modificación provoca un corrimiento en las franjas del patrón de interferencia.

Ver figura 41. La fase del frente de onda bajo análisis, se puede encontrar a partir de la variación de

intensidad en cada pixel entre las imágenes; calculada en cada píxel de forma independiente. El resultado

es un mapa de fase [19].

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37

Δφ=0 Δφ=π/2 Δφ=π Δφ=3π/2

Fig. 41 Interferogramas resultantes después de aplicar un desplazamiento en la fase.

Se necesita un mínimo de tres mediciones para determinar la fase, ya que hay tres incógnitas en la ecuación

de la interferencia, reescrita como:

0 0 01 cos ,I I x y 36

Estas incógnitas son: la intensidad de fondo I0, la modulación de las franjas de interferencia γ0 y la fase

del frente de onda 𝜙. La variación de fase entre las mediciones de intensidad puede ser cualquier valor

entre 0 y 2π, siempre que sea constante y lineal.

Métodos para desplazar la fase

Para crear múltiples interferogramas, se necesita un método para introducir el cambio de fase adecuado.

El método más directo y el más común para cambiar la fase es un espejo móvil. Un desplazamiento de

fase de 90◦ en un interferómetro Twyman-Green es equivalente a mover el espejo de referencia λ / 8.

Para un láser HeNe a 632.8nm, esto requiere mover el espejo aproximadamente 79.1nm para cada imagen.

Los transductores piezoeléctricos (PZT) son bastante comunes en los interferómetros de desplazamiento

de fase. Se usa un voltaje de DC, típicamente de unos pocos cientos de volts, para expandir o contraer el

material PZT y crear un pequeño cambio de posición. Otro método para el cambio de fase, al cambiar la

longitud de la trayectoria, es girar una placa plana paralela en el haz de referencia colimado. El haz viajará

a través de más vidrio a medida que el ángulo aumenta, lo que provoca un aumento en el camino óptico

y un desplazamiento de fase [19]. La adición de componentes ópticos como placas plano paralelas de

algún material conocido también inducirá cambios de fase. Existen diversas formas de variar el camino

óptico de un haz en un interferómetro y su elección dependerá fuertemente de las características

inherentes al interferómetro, a la superficie bajo prueba, costos, etc…

Algoritmos para el desplazamiento de fase

Una vez se haya conseguido desplazar la fase en un sistema, los interferogramas generados deben ser

analizados para encontrar la fase en cada punto (pixel) de las imágenes registradas. El desfase más común

entre imágenes es de π/2.

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38

0 0 0

1 0 0

2 0 0

3 0 0

1 cos ,

1 cos ,2

1 cos ,

31 cos ,

2

I I x y

I I x y

I I x y

I I x y

37

Algunos algoritmos comunes para calcular la fase son:

Método de tres imágenes:

Dado que un mínimo de tres interferogramas es requerido para reconstruir un frente de onda, la fase

puede ser calculada empleando un desplazamiento de 𝜋/2 por imagen.

1 0

2 0

3 0

1, , 1 cos , ,

4

3, , 1 cos , ,

4

5, , 1 cos ,

4

I x y I x y x y

I x y I x y x y

I x y I x y x y

38

Cuando los pasos del desplazamiento entre interferogramas son constantes, 𝛾 = 𝛾0. La fase en cada

punto es simplemente:

3 2

1 2

, ,, arctan

, ,

I x y I x yx y

I x y I x y

39

Este método trabaja con tres imágenes, el mínimo requerido. Sin embargo, una cuarta imagen ayuda a

reducir el error ocasionado por saltos en fase no tan precisos.

Método de cuatro imágenes:

Un algoritmo común basado en la detección de cuatro saltos en fase es el método de cuatro imágenes.

Consta de la adición de desfasamientos (múltiplos de π/2) partiendo desde 0 hasta obtener un conjunto

de cuatro interferogramas.

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39

1 0

2 0

3 0

4 0

, , 1 cos , ,

1, , 1 cos , ,

2

, , 1 cos , ,

3, , 1 cos ,

2

I x y I x y x y

I x y I x y x y

I x y I x y x y

I x y I x y x y

40

El cálculo de la fase está dado por:

4 2

1 3

, ,, arctan

, ,

I x y I x yx y

I x y I x y

41

Es importante mencionar que la fase resultante se obtiene con valores de radianes. Esta fase puede ser

convertida a valores de camino óptico (o diferencia de camino óptico, DCO) mediante la relación:

, ,2

DCO x y x y

42

4.3.2 Simulaciones numéricas de un IDP con métodos de desplazamiento de fase

En esta sección se muestran los resultados computacionales de un IDP tras haber implementado

las tres técnicas de desplazamiento de fase anteriormente mencionadas. Para ello se obtiene un

interferograma de un frente de onda aberrado (bajo prueba) contra la onda esférica de referencia

(proveniente del micro-orificio). Los corrimientos de fase son añadidos a la onda de referencia. Cada

interferograma obtenido contribuye al cálculo de la fase en cada método respectivamente. El código

empleado se muestra en el Anexo III.

Método de tres imágenes

a)

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40

b)

c)

Fig. 42 a) Interferogramas con corrimiento b) Perfil transversal de los interferogramas (al centro) c) Fase recuperada

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41

Método de cuatro imágenes

a)

b)

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42

c)

Fig. 43 a) Interferogramas con corrimiento b) Perfil transversal de los interferogramas (al centro) c) Fase recuperada

4.3.3 Obtención de los defectos locales en un IDP

Una vez recuperado el frente de onda en un IDP, se busca obtener una caracterización de los

defectos en la superficie del frente de onda aberrado con el fin de compensarlos posteriormente. En esta

sección se presenta una modificación a los programas anteriores en los que se extrae los defectos en los

frentes de onda recuperados.

El algoritmo empleado se muestra en la figura 44. El proceso básicamente consiste en generar dos IDP’s:

uno para una superficie con defectos locales y otro para la misma superficie, pero sin defectos. Esto con

el fin de comparar ambos frentes de onda: uno aberrado contra uno ideal. La obtención de la fase se logra

mediante un proceso de desplazamiento de fase. Particularmente se empleará el método de las cuatro

imágenes. Pero éste proceso es análogo e indistinto para todos los métodos de desplazamiento de fase

mencionados previamente. El código empleado se muestra en el Anexo IV.

Fig. 44 Algoritmo a seguir para la obtención de defectos locales en un IDP.

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43

Por fines prácticos, de primera instancia sólo se realizó un defecto simple en la superficie bajo prueba

con la finalidad de comprobar la validez del método. Dicho defecto consta de una protuberancia circular

suavizada. Los resultados se muestran en las figuras 45 y 46.

Δφ=0π Δφ=π/2

Δφ=π Δφ=3π/2

a)

b)

Fig. 45 Método de las 4 imágenes para la obtención de la fase de un frente de onda con defectos. a) Interferogramas generados tras el corrimiento de fase b) Fase obtenida.

λ

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44

Δφ=0π Δφ=π/2

Δφ=π Δφ=3π/2

a)

b)

Fig. 46 Método de las 4 imágenes para la obtención de la fase de un frente de onda sin defectos. a) Interferogramas generados

tras el corrimiento de fase b) Fase obtenida.

Para la obtención de los defectos locales simplemente se realizó una resta de las fases obtenidas: fase con

defectos menos la fase sin defectos. Dado que ambas son las mismas y sólo diferencian por el defecto,

su resta elimina las contribuciones esféricas, aislando el defecto. Ver figura 47.

Fig. 47 Defecto obtenido.

λ λ

λ

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45

La simulación computacional muestra como resultados los parámetros propios del sistema, así como los

valores máximos del defecto calculado:

Distancia al plano de observación: 55 cm

Defoco: 0 micras

Desplazamiento horizontal de la placa: 0 micras

Desplazamiento vertical de la placa: 0 micras

Altura máxima del defecto: 1.6509 lambda / 1.0434 micras

Altura máxima del defecto experimental (fase): 10.3729 rad

Este último valor, de la altura del defecto en fase es importante de considerar para la siguiente sección.

El proceso anterior se realizó varias veces más, pero ahora cambiando los parámetros inherentes a un

IDP anteriormente descritos. Particularmente, las pruebas constan de tres variantes: variación de distancia

de observación, variación del defoco y variaciones de la posición transversal de la placa. Todo esto con

el fin de observar qué tanto difiere el cálculo del desplazamiento de fase, obtención de la fase y estimación

de los defectos si alguno de estos parámetros variase. Por fines prácticos, sólo se muestran los resultados

(Tablas 1, 2 y 3) dado que mostrar las imágenes de cada variante resultaría en imágenes sobradas y hasta

excesivas.

Los resultados muestran los parámetros modificados y los valores estimados de la altura máxima del

defecto en DCO y en fase.

Tabla 1 Caracterización de defectos por desplazamiento de fase. Variación de la distancia de observación

Variación de la distancia de observación “z”

Distancia Defoco Desplazamiento

lateral en x Desplazamiento

lateral en y

Altura máxima del

defecto (DCO)

Altura máxima del

defecto (fase)

[cm] [µm] [µm] [µm] [µm] [rad]

30 0 0 0 1.0386 10.3251

35 0 0 0 1.0394 10.3331

40 0 0 0 1.0404 10.3437

45 0 0 0 1.0418 10.3569

50 0 0 0 1.0428 10.3674

55 0 0 0 1.0434 10.3729

Promedio: 1.0411 10.3503

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46

Tabla 2 Caracterización de defectos por desplazamiento de fase. Variación del defoco.

Variación del defoco

Distancia Defoco Desplazamiento

lateral en x Desplazamiento

lateral en y

Altura máxima del

defecto (DCO)

Altura máxima del

defecto (fase)

[cm] [µm] [µm] [µm] [µm] [rad]

55 -1500 0 0 1.0395 10.3343

55 -1000 0 0 1.0431 10.3707

55 -500 0 0 1.0432 10.3708

55 500 0 0 1.0437 10.3764

55 1000 0 0 1.0437 10.3764

55 1000 0 0 1.0438 10.3768

Promedio: 1.04345 10.3736

Tabla 3 Caracterización de defectos por desplazamiento de fase. Variación horizontal o vertical de la placa.

Variación de los desplazamientos laterales y verticales

Distancia Defoco Desplazamiento

lateral en x Desplazamiento

lateral en y

Altura máxima del

defecto (DCO)

Altura máxima del

defecto (fase)

[cm] [µm] [µm] [µm] [µm] [rad]

55 0 -9 -9 1.0438 10.3769

55 0 -6 -6 1.0436 10.3755

55 0 -3 -3 1.0432 10.3708

55 0 3 3 1.0438 10.3767

55 0 6 6 1.0437 10.3764

55 0 9 9 1.0436 10.3748

Promedio: 1.04365 10.3759

Estos resultados muestran que, pese a las posibles variaciones presentes en un IDP, la estimación de los

valores de los defectos es bastante estable.

4.3.4 Generación de funciones de fase para la compensación de defectos en la

superficie

Con la finalidad de compensar los defectos locales en un frente de onda, una vez obtenido y

caracterizado el defecto, es necesario considerar una función matemática que permita modular dicho

frente de onda.

Por ello en la sección anterior se mencionó el valor máximo del defecto en valores de fase (radianes)

debido a que es con dichos valores que se procedió a realizar la compensación del defecto. Dado que el

defecto obtenido (DCO) no es más que una distribución bidimensional de puntos (𝑥, 𝑦) con alturas

diferentes, es fácil obtener su valor en fase mediante la relación:

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47

2

, ,defecto x y DCO x y

43

Esta función de fase corresponde a la fase añadida del defecto en la superficie. Para compensarla, se

requiere la función inversa aditiva de la misma, es decir, su negativa. Así, se define una “función de

modulación”:

, ,m defectox y x y 44

Posteriormente esta distribución se modela ahora como una función de fase:

,mi x ye

45

Para compensar el defecto, la fase anterior afecta directamente a la onda aberrada y dado a que porta en

su fase el valor inverso del defecto previamente caracterizado, se espera que lo compense. Bajo esta

premisa se realizó una nueva simulación computacional donde, una vez caracterizado el defecto local en

el frente de onda aberrado, se procede a modular con la función anterior dicho frente de onda. Con esto

se vuelve a generar la interferencia de las ondas en un IDP. Un diagrama del proceso antes descrito se

puede apreciar en la figura 48. El código empleado se muestra en el Anexo V.

Fig. 48 Proceso para la modulación y comparación de los interferogramas con y sin defectos.

El defecto y su respectiva función de modulación se muestran a continuación. Ver figura 49.

Fig. 49 Defecto obtenido y su respectiva función de modulación.

Un esquema representativo de la modulación del frente de onda se muestra en la figura 50:

π π

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48

Fig. 50 Esquema de la corrección del frente de onda con defectos.

El resultado de afectar el frente de onda aberrado con la función de modulación de primera instancia es

el de compensar el defecto y esto es visible en un patrón de interferencia sin dislocaciones en las franjas,

o al menos una corrección significativa de dichos desplazamientos. El interferograma del frente de onda

aberrado y el interferograma del frente de onda compensado son mostrados en la figura 51.

a) b)

Fig. 51 a) Interferograma para un frente de onda con defecto. b) Interferograma para el mismo frente de onda pero compensado.

La corrección puede ser comparada con un interferograma ideal, para un frente de onda sin defectos, ver

figura 52.

a) b)

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49

Fig. 52 a) Interferograma compensado b) Interferograma de referencia.

El coeficiente de correlación, el cual es una medida de similaridad entre dos conjuntos de datos se calcula

entre ambos interferogramas, resultando en:

0.98624Coeficiente de correlación

El proceso anterior se realizó con diversas variantes en las aberraciones de los frentes de onda y también

se empleó con el método de las tres imágenes. Los resultados se muestran en la figura 53 y 54. Cabe

mencionar que el coeficiente de correlación mostrado corresponde a la comparación entre el

interferograma corregido vs el interferograma ideal (superficie sin defectos) para cada caso.

Método de las tres imágenes:

CC

0.98509

CC

0.93533

CC

0.96857

CC

0.85231

a) b) c) d) Fig. 53 Corrección del frente de onda mediante funciones de modulación. a) Frente de onda aberrado b) Interferograma con

dislocaciones en las franjas c) Interferograma después de haber modulado los defectos.

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50

Método de las cuatro imágenes:

CC

0.98624

CC

0.95059

CC

0.97248

CC

0.88713

a) b) c) d) Fig. 54 Corrección del frente de onda mediante funciones de modulación. a) Frente de onda aberrado b) Interferograma con

dislocaciones en las franjas c) Interferograma después de haber modulado los defectos.

Los resultados muestran la corrección del frente de onda, visible en los desplazamientos de las franjas de

interferencia, las cuales se reubican y acomodan tendiendo a un interferograma sin dislocaciones en sus

franjas. Comparando ambos métodos, es evidente que el método de las 4 imágenes encuentra de forma

más precisa los defectos y por ende los compensa mejor.

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51

5 Implementación de placas para un IDP

Las placas previamente mencionadas (sección 3) fueron implementadas para la obtención de un

IDP. El arreglo experimental consta de una fuente de luz que genera un frente de onda convergente

producida por una lente esférica de f=339.08mm, R=298.03mm y D=101.6mm, en un interferómetro

tipo Fizeau, comercialmente conocido como ZYGO. La elección de ésta fuente se debe a que la onda

esférica (convergente/divergente) generada es una onda certificada y no requiere una caracterización

previa en el análisis interferométrico. En el punto de convergencia del frente de onda es colocada una

placa (la placa generada previamente con una película delgada de aluminio y un micro-orifico) montada

sobre una base micrométrica de tres ejes. Frente a la placa es colocada una pantalla de observación donde

el interferograma generado es localizado. La ubicación de la pantalla dependerá de donde el

interferograma sea visible. Para éste arreglo la pantalla se colocó aproximadamente a 20cm delante de la

placa del IDP. Frente a la pantalla se colocó una cámara CCD para registrar el interferograma. Ver figura

55.

Fig. 55 Esquema del arreglo experimental. (1) Fuente de luz tipo Zygo, (2) Placa para el IDP montada en una base micrométrica de tres ejes, (3) Plano de observación.

Dadas las dimensiones de los micro-orificios no es posible encontrar el interferograma de forma

inmediata. Para ello la placa es colocada, de primera instancia, detrás o delante del punto de convergencia

de la onda proveniente del sistema de iluminación y desplazada lateral o verticalmente. Esto con el fin de

encontrar un pequeño punto luminoso el cual muy probablemente corresponda al micro-orificio en la

placa. Al hallarlo, el punto es centrado y la placa se acerca axialmente hasta el punto focal de la onda. En

caso de que el punto localizado corresponda al micro-orifico conforme la placa se acerca al punto focal

en la pantalla se comienza a apreciar notoriamente el interferograma de un IDP. En caso de no serlo, la

distribución obtenida será el resultado de algún defecto en la película semitransparente y por ende se

procede a continuar buscando. La evaluación previa de las placas puede reducir significativamente el

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52

trabajo de encontrar los interferogramas ya que para cada método se implementó una técnica para

localizar rápidamente el micro-orifico. Un contorno dibujado con un plumón, acotando la región donde

se encuentra el micro-orificio para la técnica de la gota de mercurio y una cruz guía (en eje con los

orificios) en ambos extremos de la placa para la técnica de microlitografía.

Algunos interferogramas obtenidos pueden observarse en las figuras 56 y 57.

Fig. 56 IDP's obtenidos con placas hechas por el método de gota de mercurio.

Fig. 57 IDP's obtenidos con placas hechas por el método de microlitografía.

5.1 Efectos presentes en un IDP

A continuación se muestran los resultados obtenidos experimentalmente debido a la variación

de parámetros presentes en un IDP.

Variación del espesor de la película de aluminio.

Para comprobar el efecto de la variación de este parámetro se compararon tres de las placas cuyos

espesores de la película delgada de aluminio constan de aproximadamente 0.02, 0.03 y 0.04 micras

(medidas según la taza de sublimación inversa del aluminio dentro de la evaporadora empleada). Se trató

de mantener el mismo orificio para las tres evaluaciones. Ver figura 58.

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53

t≈0.02µm t≈0.03µm t≈0.04µm

Fig. 58 Efecto sobre la variación del espesor de la película delgada de aluminio sobre los interferogramas.

El efecto de atenuación por el espesor de la película delgada de aluminio es evidente. Sin mencionar el

pequeño defoco que añade cada espesor para cada interferograma aumentando el número de franjas por

captura.

Variación del radio del micro-orificio.

Sobre una misma placa, pero con diferentes tamaños de micro orificios se capturaron diferentes

interferogramas. Ver figura 59.

𝜙≈5µm 𝜙≈10µm 𝜙≈15µm 𝜙≈25µm

Fig. 59 Variación del tamaño del micro orificio.

Conforme crece el tamaño del orificio el contraste de las franjas se ve comprometido.

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54

Desplazamientos laterales de la placa

El resultado de variar lateralmente la placa del IDP. Los desplazamientos deben ser lo suficientemente

pequeños para que el micro-orificio no se salga de la zona de convergencia del sistema de iluminación.

Ver figura 60.

Fig. 60 Efecto de desplazamientos laterales de la placa en un IDP. Δx=10µm y Δy=10µm

Defoco

El resultado de variar axialmente (a lo largo del eje óptico) la placa del IDP. Ver figura 61.

Δy

Δx

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55

Fig. 61 Efecto de defoco en un IDP, Δz≈1mm.

Cuando el defoco es tal que ubica las ondas en su región paraxial, media y marginal, es posible apreciar

los efectos de la aberración esférica de las ondas [17]. Ver figura 62.

Fig. 62 Aberración asférica presente en un IDP.

Ante una combinación apropiada entre defoco y desplazamientos laterales (o verticales) en la placa se

pueden observar más efectos de la aberración asférica. Ver figura 63.

Fig. 63 Combinación de defoco con desplazamientos laterales en un IDP para observar aberración asférica.

Particularmente al combinar defoco con desplazamientos laterales, se pudo observar un efecto en

singular: la obtención parcial de franjas rectas, paralelas e igualmente espaciadas dentro de un IDP. Ver

figura 64.

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56

Fig. 64 Obtención parcial de franjas rectas, paralelas e igualmente espaciadas en un IDP.

Para la obtención de este efecto primero se desplazó lateralmente la placa y luego se indujo un defoco.

5.2 IDP para el análisis de una superficie con defectos locales

Con la finalidad de implementar un IDP para la identificación de defectos locales en una

superficie bajo prueba se montó un arreglo experimental para el cual se crearon dos espejos con escalones

de alturas conocidas: λ/2 y λ/4. Dichos espejos son añadidos en el arreglo experimental para poder ser

analizados empleando un IDP. El arreglo experimental mostrado en la figura 65 muestra la distribución

de componentes. El arreglo, siguiendo la trayectoria del haz de luz, consta de una fuente de luz que genera

un frente de onda convergente producida por una lente esférica de f=339.08mm, R=298.03mm y

D=101.6mm, en un interferómetro tipo Fizeau, comercialmente conocido como ZYGO(1), un divisor de

haz(2), una lente colimadora(3), un modulador espacial de luz de transmisión(4), (más adelante se explica la

razón de la implementación de este componente) el espejo con el escalón(5), la luz regresa del espejo al

sistema y es desviado por el divisor hacia la placa del IDP(6), finalmente se coloca una pantalla de

observación(7), y frente a ésta cualquier sistema para la captura de imágenes. En este caso se empleó una

cámara CCD Pixelink.

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57

Fig. 65 Arreglo experimental & esquema para un IDP con superficies con defectos.

La dislocación en las franjas de los patrones de interferencia indican el cambio en el camino óptico

introducido por los escalones correspondientes a λ/2 o λ/4. Ver figuras 66 y 67.

Fig. 66 IDP para una superficie con defecto tipo escalón de λ/2.

Fig. 67 IDP para una superficie con defecto tipo escalón de λ/4.

1

2

3

4

5

6

7

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58

El corrimiento de las franjas para cada interferograma indica la ubicación y el tipo de defecto

(protuberancia o valle). Particularmente para estos casos las franjas se corren hacia afuera lo cual indica

que el defecto se trata de una protuberancia sobre la superficie. Este resultado coincide con las

simulaciones numéricas tras haber simulado defectos sobre las superficies.

En la siguiente sección se abordarán con más detalle los resultados obtenidos.

Como trabajo simultáneo y con el fin de observar la sensibilidad que pudiera resolver un IDP para

aberraciones pequeñas en un frente de onda se analizó una tercer superficie reflectora con defectos en su

superficie. Consta de un espejo esférico de 13 cm de diámetro y 60 cm de radio de curvatura.

El interferograma correspondiente se muestra a en la figura 68. Primeramente, se muestra una vista

completa del interferograma y después los acercamientos a dos de los defectos en la superficie.

Fig. 68 IDP para superficie reflectora con defectos locales.

Se pueden apreciar las discontinuidades en las franjas de interferencia debido a los defectos presentes en

la superficie.

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59

6 Corrección del frente de onda empleando un

modulador espacial de luz

El principal objetivo de este trabajo es el de compensar defectos en un frente de onda

proveniente de una superficie óptica bajo prueba detectados con un interferómetro de difracción por

punto. Compensar los defectos obliga conocerlos y por ello se ha hecho tanto énfasis en conocer

primeramente las características inherentes a un IDP y después en la obtención y caracterización de los

defectos presentes en el mismo debido a las posibles aberraciones en un frente de onda bajo análisis.

Previamente el esfuerzo por compensar los defectos en un frente de onda en un IDP se ha realizado sólo

en simulaciones numéricas. Para poder corregir experimentalmente el frente de onda aberrado es

necesario pensar en un dispositivo real que permita la manipulación en fase de un campo óptico. Es por

ello que se propuso emplear un modulador espacial de luz, el cual es un dispositivo que consta de un

arreglo básico de celdas (pixeles) de cristal líquido (birrefringentes) que, mediante un voltaje aplicado,

varían en su estructura y por ende alteran el camino óptico de los frentes de onda que pasan a través de

ellos. La ventaja que ofrecen estos dispositivos es que, dado su arreglo de pixeles, es posible manipular

localmente la fase en un campo, característica necesaria para hacer una modulación local [20].

En las simulaciones numéricas la modulación de los frentes de onda se realizó matemáticamente mediante

una función de modulación la cual constaba esencialmente en el defecto negativo, recuperado del frente

de onda aberrado. El proceso de modulación experimental en principio, opera de manera análoga,

requiriendo una función de fase que contenga los valores opuestos a los defectos en un frente de onda.

Sin embargo, dicha función debe adecuarse a la respuesta física real del modulador espacial de luz

empleado.

6.1 Análisis del desplazamiento de fase debido a cambios de niveles de gris en

el modulador espacial de luz

El modulador espacial de luz empleado es un Holoeye modelo LC 2012 de transmisión. Consiste

en una pantalla de cristal líquido de transmisión con una resolución de 1024 x 768 píxeles (XGA). El

dispositivo se puede usar para modulación de fase y amplitud. Cuenta con un software que permite su

manipulación a través de la generación de diversas funciones ópticas dinámicas como rejillas, lentes,

axicones y aperturas [21].

Es importante mencionar que la manipulación de los pixeles se da a través de imágenes en escalas de

grises. Cuando el modulador se conecta a una computadora, actúa como una segunda pantalla. Al

desplegar imágenes con diferentes tonos de gris, el modulador asocia a cada nivel de gris (por pixel) un

valor específico de voltaje a cada celda unitaria las cuales están entre dos placas plano paralelas, actuando

como un capacitor. Ante la variación de potencial eléctrico, el campo generado dentro de las celdas

provoca un giro en las moléculas. En función de la intensidad de la diferencia de potencial (asociado a

un valor específico de tono de gris) es la cantidad que rotan de las moléculas en el cristal líquido, alterando

su índice de refracción extraordinario (debido a su naturaleza birrefringente) en consecuencia, el camino

óptico dentro de cada pixel y por lo tanto la fase, descrita mediante la relación:

0

2,

d

e on z n dz

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60

siendo 𝑑 el espesor del pixel, ne el índice de refracción extraordinario y n0 el índice de refracción ordinario,

[20]. Un esquema representativo del funcionamiento de un pixel se muestra en la figura 69.

a) b)

Fig. 69 Moléculas de cristal líquido en un pixel del modulador a) Sin voltaje aplicado b) Con voltaje aplicado.

Dado que el control del modulador se da desplegando imágenes en escalas de grises, la respuesta en fase

se asocia directamente a un valor en dicha escala. Dependiendo de la longitud de onda con la que se esté

trabajando es la respuesta de cada dispositivo.

Particularmente, como se trabajó empleando una fuente de luz cuasimonocromática, a 632.5nm, la

respuesta en fase para dicha longitud de onda, según el manual de usuario para el modulador puede verse

en la figura 70.

Fig. 70 Modulación de fase para 632nm del modulador espacial de luz LC 2012.

6.2 Desplazamiento de fase en un IDP para la caracterización de defectos

locales

Como se mencionó anteriormente, para realizar la corrección del frente de onda aberrado es

necesario conocer los defectos en el mismo. En caso de no conocerlo, el cual sería el caso más general,

la opción propuesta es emplear técnicas para el desplazamiento de fase para la obtención del frente de

onda y en consecuencia los defectos, tal como se propuso en la sección 4.3.3.

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61

Sin embargo, debido a la baja respuesta del modulador empleado (0 a π) o bien (0 a λ/2), no es posible

emplear técnicas de corrimiento de fase que requieran más de tres imágenes. Inclusive para el método de

las tres imágenes este rango dinámico se queda corto. Aún más si se quisiera trabajar con la región lineal

de modulación la cual es menor a π. Por lo que la implementación de las técnicas de desplazamiento de

fase, empleando el modulador espacial de luz, queda propuesta como un trabajo a futuro mediante otra

longitud de onda cuyo rango dinámico con el modulador opere en valores mayores de 0 a π.

No obstante, como se mencionó en la sección 4.2.1, es posible emplear el efecto de defoco en un IDP

para realizar un corrimiento de franjas sobre un defecto local en una superficie. Ver figura 71.

a)

b)

Fig. 71 IDP para una superficie con defecto. a) Pocas franjas b) después de cierto defoco aumenta el número de franjas.

Considerando lo anterior, y retomando los interferogramas obtenidos para una superficie reflectora con

defectos, figura 71.

Fig. 72 Superficie óptica con defectos locales.

Se realizó un barrido de franjas empleando el efecto del defoco. Cabe mencionar que esto se hizo sólo

localmente (capturando solamente la zona del defecto) debido a que el interés es el de compensar el

defecto de forma local.

El método para la obtención de fase del defecto fue el de las cuatro imágenes. Para obtener los

desplazamientos apropiados se consideró que el salto entre franjas (mínimos) equivalía a alturas de λ o

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62

bien 2π radianes en valores de fase. Una vez el desplazamiento de las franjas hubo cumplido los

desplazamientos de π/2, π, y 3π/2, junto con la primer imagen (0π), los interferogramas correspondientes

fueron digitalizados y procesados. La obtención del defecto es meramente cuantitativa por el momento.

Los resultados se pueden observar en la figura 73.

a) b) Fig. 73 Corrimiento de fase por defoco en un IDP. a) Interferogramas con desplazamiento en franjas. b) Fase recuperada.

Después de realizar un desenvolvimiento de la fase, el mapa de camino óptico obtenido se muestra a

continuación, figura 74 y 75.

DC

O

DC

O

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63

Fig. 74 Diferentes vistas del defecto en la sección del frente de onda recuperado.

Fig. 75 Curvas de nivel del defecto en el frente de onda.

Es importante enfatizar que la sección analizada corresponde a una parte de un frente de onda esférico

proveniente de la superficie bajo prueba. Sin mencionar que existen otros defectos sobre la misma que

no fueron analizados. Un esquema representativo del frente de onda con el defecto se muestra en la figura

76.

Fig. 76 Frente de onda con defecto local.

6.3 Corrección de defectos locales mediante modulación de niveles de gris en

el modulador espacial de luz

Partiendo del hecho de que se conocen los defectos en un frente de onda, ahora se debe realizar

la función de modulación apropiada para realizar la corrección de los mismos. Anteriormente se mostró

DC

O

DC

O

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64

(sección 4.3.3) que la función de modulación partía del defecto, conocido previamente o calculado por

los métodos de desplazamiento de fase, y matemáticamente modulaba la onda aberrada con el fin de

corregirla.

En esta sección se describe el mismo principio pero con la finalidad de generar funciones de fase que

puedan operar dentro del rango dinámico del modulador espacial de luz.

Retomando el concepto de la función de modulación, función inversa al defecto hallado, ecuación (41) y

considerando como muestra genérica un frente de onda aberrado cualquiera, por ejemplo el de la sección

anterior. Ver figura 77.

a)

b) c)

Fig. 77 a) Frente de onda aberrado b) Defecto c) Función de modulación.

Si se quisiera compensar el defecto empleando el modulador espacial de luz, la función de modulación

tiene que ser convertida de valores de fase a valores de escala de grises. Dado que esta función ya posee

los valores de fase correspondientes para la corrección del defecto, es esta función la que se desplegará

en el modulador espacial de luz. Sin embargo, debe tomarse en consideración el acotamiento de los

valores de fase del mismo. En otras palabras, la respuesta del modulador está acotada entre sus valores

máximo y mínimo para los cuales puede realizar la modulación. Particularmente para 632nm y el

modulador que se empleó, estos límites son 0 y π pero la función de modulación puede poseer valores

más grandes que éstos. Para solucionarlo, simplemente se reescribe la función de modulación en una

función de fase:

π

π

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65

,mi x ye

46

Esto automáticamente envuelve la fase entre los valores –π y π, ver figura 78.

a) b)

Fig. 78 Función de modulación (vista transversal) a) Fase desenvuelta b) Fase envuelta.

Para que la función opere en el rango de modulación de fase del modulador espacial de luz, (0, π). Es

necesario normalizar la fase envuelta para después multiplicarla por el valor máximo de modulación (π).

Ver figura 79.

a) b)

Fig. 79 Función de modulación a) Normalizada b) Operando en el rango dinámico del modulador espacial de luz.

Una vez que la función de modulación está acotada entre los valores del rango dinámico del modulador,

debido a la correspondencia de fase con nivel de gris, es posible definir una imagen en escalas de grises

partiendo de la función de modulación; sin olvidar que la región donde no se va a compensar ningún

defecto debe permanecer con el nivel mínimo de gris (0) para que no se añada ningún cambio de fase en

esta región. Ver figura 80.

Fig. 80 Función de modulación en escala de grises.

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66

Es esta imagen la que finalmente se despliega en el modulador resultando en la compensación de los

defectos. Cabe mencionar que debe tenerse en consideración que las dimensiones de la resolución en la

matriz computacional deben corresponder con las dimensiones físicas reales del modulador espacial de

luz (1024 x 768 pixeles).

Experimentalmente se buscó compensar el defecto que añaden los espejos con escalones bajo prueba

previamente mencionados.

Primeramente, se realizaron las simulaciones numéricas correspondientes generando defectos tipo

escalón de λ/2 y λ/4 afectando una onda bajo prueba en un IDP. Se analiza el corrimiento de las franjas

para observar el efecto del escalón. Ver figura 81.

a) b)

Fig. 81 Simulación numérica de un defecto tipo escalón λ/2 a) Defecto b) Interferograma.

a) b)

Fig. 82 Simulación numérica de un defecto tipo escalón λ/4 a) Defecto b) Interferograma.

Ya sea que se conozca el defecto o haya que calcularlo mediante algoritmos de corrimiento de fase, se

define la función de modulación partiendo del defecto.

, ,m defectox y x y

Tras haber definido la función de fase, acotarla y re-escalarla a los valores del modulador espacial de luz

(proceso análogo al ejemplo previo) finalmente, las simulaciones numéricas muestra las mascarillas a

desplegar en el dispositivo. Ver figura 83.

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67

a) b)

Fig. 83 Imágenes para compensar defectos tipo escalón. Estas imágenes son desplegadas en el modulador espacial de luz. a) λ/2 b) λ/4.

Los valores (escala de grises) de modulación en las imágenes son: a) 255/0 y b) 127/0 que corresponden

a 𝜆

2/0 y

𝜆

4/0 respectivamente.

Las simulaciones numéricas muestran el resultado de realizar la corrección en los frentes de onda. Ver

figura 84.

a)

b)

Fig. 84 Interferogramas tras la corrección del frente de onda a) λ/2 b) λ/4.

Con esta estimación previa, en el laboratorio se implementaron los espejos en un arreglo con un IDP. El

arreglo experimental fue descrito en la figura 65. Los resultados experimentales se muestran a

continuación, en la figura 85.

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68

a) b)

Fig. 85 Interferogramas para escalones de a) λ/2 b) λ/4.

Es importante mencionar que la razón de la asimetría entre ambos interferogramas no sólo se debe a que

los escalones son diferentes para cada prueba, sino que también las condiciones de defoco, placa de IDP

y el registro de la imagen fueron totalmente únicas para cada captura: añadiendo o quitando defoco,

saturación o ganancia. Todo esto varió para poder obtener la mejor imagen en cada caso. Sin embargo,

el efecto de la dislocación en las franjas debido al escalón es evidente para cada caso.

En el caso del escalón de λ/4 es significativo indicar que el interferograma muestra un defecto adicional

al escalón, lo que añade un corrimiento extra en la parte inferior izquierda de la primer franja oscura. Ver

figura 86.

Fig. 86 Dislocación en franjas debido a defecto en la superficie.

Esto es un indicador de la existencia de un defecto en la superficie del espejo. Probablemente la película

depositada sobre este no es completamente homogénea.

Las simulaciones numéricas para cada caso permitieron estimar anticipadamente los niveles de gris

requeridos a desplegar en el modulador empleado. Dado que se contaba con la aplicación propia del

dispositivo, esta fue empleada para generar las imágenes con los niveles de gris correspondientes para

realizar la modulación. Cabe puntualizar que la adición del modulador espacial de luz, atenúa bastante la

intensidad y por lo tanto las imágenes recibieron un procesamiento posterior por propósitos de

visualización.

El interferograma y la compensación del frente de onda para la placas de λ/2 y λ/4 se muestran en la

figuras 87 y 88 respectivamente.

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69

a) b) c)

Fig. 87 Modulación del frente de onda en un IDP a) Interferograma con dislocaciones en las franjas b) Imagen en escala de grises para la modulación del frente de onda, correspondiente a λ/2 b) Frente de onda corregido - interferograma sin

dislocaciones.

a) b) c)

Fig. 88 Modulación del frente de onda en un IDP a) Interferograma con dislocaciones en las franjas b) Imagen en escala de grises para la modulación del frente de onda, correspondiente a λ/4 b) Frente de onda corregido - interferograma sin

dislocaciones.

Estos resultados completan el propósito del trabajo, logrando realizar una corrección de un frente de

onda con defectos en un interferómetro de difracción por punto empleando un modulador espacial de

luz.

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70

7 Conclusiones y trabajo a futuro

Conclusiones

Se logró la fabricación de las placas para un Interferómetro de Difracción por Punto (IDP)

mediante los métodos de la gota de mercurio y microlitografía.

Después de la implementación experimental del IDP se reconoció la robustez del mismo; siendo un

interferómetro de trayectoria común, es altamente resistente a perturbaciones de cualquier tipo. Presenta

gran sencillez considerando que no requiere instrumentación adicional para la generación de su propia

onda de referencia. Posee un alto contraste en la visibilidad de las franjas de interferencia, siempre que se

considere el compromiso que existe entre el espesor de la película delgada y el material de la misma ya

que estos parámetros juegan un papel importante debido a su transmitancia y fase añadida a las ondas en

el interferómetro.

Respecto a la implementación para el análisis de superficies ópticas con defectos el IDP resulta un ser un

interferómetro adecuado debido a su alta sensibilidad, permitiendo encontrar detalles en los frentes de

onda aberrados, sin mencionar que se pudo realizar una técnica de desplazamiento de fase para una

obtención cualitativa de un defecto en una superficie empleando no más que el defoco, característica

propia de un IDP.

El IDP también tiene ciertas debilidades como el cuidado que requiere la manipulación de la placa para

evitar dañar la película delgada de aluminio y realizar los desplazamientos con la precisión adecuada. Su

alineación resulta un tanto tediosa y cansada.

Pese a la sencillez del interferómetro, dada su única componente propia: el sustrato con el micro-orificio,

es importante mencionar que su fabricación no es sencilla. Ya sea el método de la gota de mercurio o el

de microlitografía ambas requieren instrumentación especializada, materiales y conocimientos pertinentes

para la manipulación de los mismos. Sin mencionar que, por sus dimensiones, es difícil obtener un grado

aceptable de precisión en muchas ocasiones para generar los micro-orificios.

Las simulaciones numéricas ofrecieron gran comprensión en cuanto a la física inherente del

interferómetro ya que durante su realización surgieron varias incertidumbres que debían esclarecerse: la

adición de una fase esférica adicional a la onda de referencia, el efecto del defoco provocado por el

sustrato de vidrio y la película semitransparente de aluminio, la propagación de las ondas, los efectos de

desplazamiento, entre otros que se abordaron en el escrito. Estas simulaciones también permitieron

realizar un análisis cualitativo del comportamiento de un IDP con el cual se pudo predecir el

comportamiento del mismo, incluso antes de su implementación en el laboratorio. Por lo que los

programas generados sirven como referencia inicial a la aplicación de un IDP.

Trabajo a futuro

Entra en consideración que, a pesar de haber logrado la corrección de un frente de onda

empleando el modulador espacial de luz no se pudo abordar más esta propuesta debido a la baja respuesta

del mismo. Como trabajo a futuro se propone implementar una longitud de onda con la cual el rango

dinámico de modulación del dispositivo aumente a por lo menos 2π o en su defecto, trabajando con la

misma longitud de onda, añadir un dispositivo para generar desplazamientos de fase en el arreglo

interferométrico.

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Se pretende explorar más a fondo las características inherentes a un IDP tomando ahora en consideración

casos más generales como ondas esfero-cilíndricas o planas para generar otro tipo de interferogramas en

un IDP. Se propone estudiar estas variantes.

Se proyecta trabajar con un IDP para el análisis de superficies asféricas o de forma libre para su

caracterización y evaluación de calidad.

Un objetivo particular es poder realizar técnicas de corrimiento de fase sin la necesidad de un modulador

espacial de luz empleando características propias de un IDP, como sus desplazamientos, defoco etc. Con

ello, posteriormente se pretende realizar un sistema integral que pueda recuperar frentes de onda de

diversas muestras bajo evaluación.

Como preliminar a nuevas investigaciones, se buscaría integrar las técnicas de recuperación de la fase de

un frente de onda aberrado y la corrección de los defectos en el mismo. Vinculando las investigaciones

realizadas en este trabajo y permitiendo tener un sistema completo para el análisis de los frentes de onda.

También se busca extender el campo de aplicación más allá de la prueba de superficies ópticas

permitiendo realizar metrología en otros rubros como medición de temperaturas, rugosidades, sensores

de movimiento, mecánica de fluidos, voz, entre otras.

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8 Referencias

[1] B. Bunch and A. Hellemans, The History of Science and Technology. 2004.

[2] P. Hariharan, Basics of Interferometry, Second. Elsevier Inc., 2007.

[3] W. . Steen, “Principles of Optics M. Born and E. Wolf, 7th (expanded) edition, Cambridge University Press, Cambridge, 1999, 952pp. 37.50/US $59.95, ISBN 0-521-64222-1,” Optics & Laser Technology, vol. 32, no. 5. p. 385, 2000.

[4] E. Hecht, “Optics,” American Journal of Physics. 1974.

[5] C. Koliopoulos, R. Shagam, and J. C. Wyant, “Infrared point-diffraction interferometer,” vol. 3, no. 3, pp. 118–120, 1978.

[6] Q. Gong, “Modeling point diffraction interferometers,” Opt. Eng., vol. 35, no. 2, p. 351, 1996.

[7] N. Smartt, Raymond, “Special applications of the point-diffraction interferometer,” Proc. SPIE, vol. 192, no. Aug, pp. 35–40, 1979.

[8] J. M. Cabrera and F. L. López, “Apuntes de Interferencia y difracción.” Universidad Autónoma de Madrir, Madrid, p. 150.

[9] M. D. Jurgen R., Meyer-Arendt, Introduction to Classical and Modern Optics. Prentice Hall, 1995.

[10] R. N. Smart and W. H. Steel, “Theory and Application of Point-Diffraction Interferometers,” 1975.

[11] E. Acosta, S. Chamadoira, and R. Blendowske, “Modified point diffraction interferometer for inspection and evaluation of ophthalmic components.,” J. Opt. Soc. Am. A. Opt. Image Sci. Vis., vol. 23, no. 3, pp. 632–637, 2006.

[12] J. W. Goodman, “Introduction to Fourier Optics McGraw-Hill Series in Electrical and Computer Engineering,” Quantum Semiclassical Opt. J. Eur. Opt. Soc. Part B, vol. 8, no. 5, p. 491, 1996.

[13] B. E. A. Saleh and M. C. Teich, Fundamentals of Photonics, vol. 5. 1991.

[14] S. Chamadoira Hermida, “Interferómetro de Difracción por Orificio, IDO, para la inspección, caracterización e investigación de componentes ópticos oftálmicos,” UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE COMPOSTELA DEPARTAMENTO DE FÍSICA APLICADA AREA DE ÓPTICA, 2005.

[15] C. Mack A., “Photolithography.” [Online]. Available: http://www.lithoguru.com/scientist/lithobasics.html. [Accessed: 09-May-2018].

[16] M. J. Weber, HANDBOOK OF OPTICAL MATERIALS, vol. 23, no. 1. Berkeley, California, 2003.

[17] D. Malacara, Optical Shop Testing: Third Edition. 2006.

[18] L. S. Pedrotti, Frank L. Pedrotti, Introduction to Optics, Secod Edit. Prentice-Hall International.

[19] E. P. Goodwin and J. C. Wyant, Interferometric Optical Testing. 2006.

[20] I.-C. Khoo, Liquid Crystals, Second Edi. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2007.

[21] Holoeye Photonics, LC 2012 DEVICE MANUAL. 2017.

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Anexo I – Código de programa para la simulación numérica de un

IDP

% Simulación computacional de un IDP % % Elaboró: José Alex Zenteno Hernández % clear all clc close all %% Espacio de trabajo %% % Escala en micras % Dx=100000; % 10 cm - 100000 micras N=1000; % Muestreo dx=Dx/N; dy=dx; x=[-N/2:N/2-1]*dx; y=x'; [X,Y]=meshgrid(x,y); % Cambio de coordenadas % [theta,r]=cart2pol(X,Y); % Soporte circular % R=max(x); supp=r<=R; %% Parámetros del sistema %% lambda=0.632; % micras / Rojo k=2*pi/lambda; %% Distancias %% % z=input('Distancia de observación (cm): '); z=55; z=z*10000; defoco=input('Desplazamiento axial de placa (micras): '); zPlaca=z+defoco; zOe=z; %% Transmitancia de la placa del IDP %% % Parte de vidrio % nv=1.541; % Índice de refracción de la placa de vidrio ev=1000; % 1 mm - 1000 micras del espesor del vidrio Tv=1; % Transmitancia de la placa tv=Tv*exp(1i*k*nv*ev); % Función de amplitud y fase de la placa % Parte de aluminio % na=1.396; % Índice de refracción de la película de aluminio % ea=0.02; % 0.02 micras del espesor del aluminio ea=0.03; % 0.03 micras del espesor del aluminio % ea=0.04; % 0.04 micras del espesor del aluminio Ta=1; % Transmitancia de la película ta=Ta*exp(1i*k*na*ea); % Función de amplitud y fase de la placa %% Onda de la placa %% % Distribución de intensidad % a=3; % Radio del orificio % diametro=a*2; % r=radio del plano de observación (r0) arg=((a*k*(r))./zPlaca); Ap=(2*pi*a^2)*((besselj(1,arg))./(arg)); % Amplitud de la onda Ap=0.5*(Ap./(max(max(Ap)))); % Normalización

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% FASE % % Aproximando la fase de la onda de la placa a una onda esférica % % En caso de desplazamientos laterales de la placa, habilitar % despx=input('Desplazamiento horizontal de la placa (micras): '); despy=input('Desplazamiento vertical de la placa (micras): '); % despx=0; % despy=0; rf=sqrt((X+(despx)).^2+(Y+(-despy)).^2+((zPlaca).^2)); fp=(1./rf).*exp(-1i*k*rf); fe=k*rf; % Fase esférica vfe=fe(N/2,:); fp=fp./(max(max(fp)));% Normalización % CAMPO COMPLETO % Op=Ap.*fp.*tv; %% Onda esférica paraxial %% t=tv*ta; % transmitancia y fase dela placa de vidrio y la película de

aluminio A=1; % Amplitud Opl=(A)*exp(-1i*k*zOe); % Parte plana Oe=(1./zOe).*Opl.*exp((-

1i)*((k)/(2*zOe))*((X+(0*dx)).^2+(Y+(0*dy)).^2));% Onda esférica aprox.

paraxial fep=(k*zOe)+(((k)/(2*zOe))*((X+(0*dx)).^2+(Y+(0*dy)).^2)); % Fase

esférica paraxial vfep=fep(N/2,:); Oe=0.5*(Oe./(max(max(Oe)))); % Normalización Oe=Oe.*(t); % transmitancia * onda %% Interferencia de los campos % I=(Op)+(Oe); I=I.*supp; I=abs(I); figure imagesc(x,y,abs(I)) set(gca,'xtick',[],'ytick',[]) set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) title('IDP'); axis square colormap(gray) d1=['Distancia al plano de observación: ',num2str(z),' micras']; disp(d1)

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Anexo II – Código de programa para la simulación numérica de

un IDP para probar superficies con defectos locales

% Simulación computacional de un IDP % % Elaboró: José Alex Zenteno Hernández % clear all clc close all %% Espacio de trabajo %% % Escala en micras % Dx=100000; % 10 cm - 100000 micras N=1000; % Muestreo dx=Dx/N; dy=dx; x=[-N/2:N/2-1]*dx; y=x'; [X,Y]=meshgrid(x,y); % Cambio de coordenadas % [theta,r]=cart2pol(X,Y); % Soporte circular % R=max(x); supp=r<=R; %% Parámetros del sistema %% lambda=0.632; % micras / Rojo k=2*pi/lambda; %% Distancias %% % z=input('Distancia de observación (cm): '); z=55; z=z*10000; defoco=input('Desplazamiento axial de placa (micras): '); zPlaca=z+defoco; zOe=z; %% Transmitancia de la placa del IDP %% % Parte de vidrio % nv=1.541; % Índice de refracción de la placa de vidrio ev=1000; % 1 mm - 1000 micras del espesor del vidrio Tv=1; % Transmitancia de la placa tv=Tv*exp(1i*k*nv*ev); % Función de amplitud y fase de la placa % Parte de aluminio % na=1.396; % Índice de refracción de la película de aluminio % ea=0.02; % 0.02 micras del espesor del aluminio ea=0.03; % 0.03 micras del espesor del aluminio % ea=0.04; % 0.04 micras del espesor del aluminio Ta=1; % Transmitancia de la película ta=Ta*exp(1i*k*na*ea); % Función de amplitud y fase de la placa %% Onda de la placa %% % Distribución de intensidad % a=3; % Radio del orificio % diametro=a*2; % r=radio del plano de observación (r0) arg=((a*k*(r))./zPlaca); Ap=(2*pi*a^2)*((besselj(1,arg))./(arg)); % Amplitud de la onda Ap=0.5*(Ap./(max(max(Ap)))); % Normalización % FASE % % Aproximando la fase de la onda de la placa a una onda esférica %

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% En caso de desplazamientos laterales de la placa, habilitar % despx=input('Desplazamiento horizontal de la placa (micras): '); despy=input('Desplazamiento vertical de la placa (micras): '); % despx=0; % despy=0; rf=sqrt((X+(despx)).^2+(Y+(-despy)).^2+((zPlaca).^2)); fp=(1./rf).*exp(-1i*k*rf); fe=k*rf; % Fase esférica vfe=fe(N/2,:); fp=fp./(max(max(fp)));% Normalización % CAMPO COMPLETO % Op=Ap.*fp.*tv;

%% Onda esférica paraxial %% t=tv*ta; % transmitancia y fase dela placa de vidrio y la película de

aluminio A=1; % Amplitud Opl=(A)*exp(-1i*k*zOe); % Parte plana Oe=(1./zOe).*Opl.*exp((-

1i)*((k)/(2*zOe))*((X+(0*dx)).^2+(Y+(0*dy)).^2));% Onda esférica aprox.

paraxial fep=(k*zOe)+(((k)/(2*zOe))*((X+(0*dx)).^2+(Y+(0*dy)).^2)); % Fase

esférica paraxial vfep=fep(N/2,:); Oe=0.5*(Oe./(max(max(Oe)))); % Normalización Oe=Oe.*(t); % transmitancia * onda %% Adición de defectos locales %% % Defecto circular desplazado ncirc=0.5; rr=sqrt((X+((-350)*dx)).^2+(Y+((0)*dy)).^2); rrr=rr<=7000; r3=(ncirc*lambda).*rrr; r3=imgaussfilt(r3,10); % Suavizado Gaussiano % vr3=r3(N/2,:); df=exp(1i*k*r3); % defecto en fase % Defecto cuadrado % A=48; % nc=-0.7; % Múltiplos de lambda % dr=((nc*lambda)*(frect((X-0*dx)/(A*dx)).*frect((Y-300)/(A*dx)))); % dr=imgaussfilt(dr,9); % Suavizado Gaussiano % df=exp(1i*k*dr); % defecto en fase % Defecto rectangular % A=48; % nr=-4.2; % Múltiplos de lambda % drr=((nr.*lambda)*(frect((X+300*dx)/(2*A*dx)).*frect((Y+200)/(A*dx)))); % drr=imgaussfilt(drr,15); % Suavizado Gaussiano % df=exp(1i*k*drr); % defecto en fase % Defecto tipo PEAKS % np=2.26; % p=peaks(N); % p=p./max(max(abs(p))); % pp=(np*lambda).*p; % % pp=imgaussfilt(c,3); % Suavizado Gaussiano % df=exp(1i*k*pp); % defecto en fase % Defecto tipo coseno seno %% % ncs=-1.3; % cs=cos(X./80).*sin(Y./80);

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% cs=cs./max(max(abs(cs))); % csf=(ncs*lambda).*cs; % df=exp(1i*k*csf); % defecto en fase

%% Interferencia de los campos % I=(Op)+(Oe.*df); I=I.*supp; I=abs(I); figure imagesc(x,y,abs(I)) set(gca,'xtick',[],'ytick',[]) set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) title('IDP'); axis square colormap(gray) d1=['Distancia al plano de observación: ',num2str(z),' micras']; disp(d1)

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Anexo III – Código de programa para la simulación numérica de

un IDP con desplazamiento de fase

% Simulación IDP con corrimiento de fase (4 imágenes) % % Elaboró: José Alex Zenteno Hernández % clear all clc close all %% Espacio de trabajo %% % Escala en micras % Dx=100000; % 10 cm - 100000 micras N=1000; dx=Dx/N; dy=dx; x=[-N/2:N/2-1]*dx; y=x'; [X,Y]=meshgrid(x,y); % Cambio de coordenadas % [theta,r]=cart2pol(X,Y); % Soporte circular % R=max(x); supp=r<=R; %% Parámetros del sistema %% lambda=0.632; % micras / Rojo k=2*pi/lambda; %% Distancias %% z=550000; % 425000 micras - 42.5 cm, Distancia al plano de observación defoco=0; zPlaca=z+defoco; zOe=z; %% Transmitancia de la placa del IDP %% % Parte de vidrio % nv=1.541; % Índice de refracción de la placa de vidrio ev=1000; % 1 mm del espesor del vidrio Tv=1; % Transmitancia de la placa tv=Tv*exp(1i*k*nv*ev); % Función de amplitud y fase de la placa % Parte de aluminio % na=1.396; % Índice de refracción de la película de aluminio % ea=0.02; % 0.02 micras del espesor del aluminio ea=0.03; % 0.03 micras del espesor del aluminio % ea=0.04; % 0.04 micras del espesor del aluminio Ta=1; % Transmitancia de la película ta=Ta*exp(1i*k*na*ea); % Función de amplitud y fase de la placa %% Onda de la placa %% % Distribución de intensidad % a=3; % Radio del orificio, 5 micras % diametro=a*2; % r=radio del plano de observación (r0) arg=((a*k*(r))./zPlaca); Ap=(2*pi*a^2)*((besselj(1,arg))./(arg)); % Amplitud de la onda Ap=0.5*(Ap./(max(max(Ap)))); % Normalización % FASE % % Aproximando la fase de la onda de la placa a una onda esférica % rf=sqrt((X+(0)).^2+(Y+(0)).^2+((zPlaca).^2)); fp=(1./rf).*exp(-1i*k*rf);

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fp=fp./(max(max(fp)));% Normalización % CAMPO COMPLETO % Op=Ap.*fp.*tv; %% Onda esférica paraxial %% t=tv*ta; % transmitancia y fase dela placa de vidrio y la película de

aluminio A=1; % Amplitud Opl=(A)*exp(-1i*k*zOe); % Parte plana Oe=(1./zOe).*Opl.*exp((-

1i)*((k)/(2*zOe))*((X+(0*dx)).^2+(Y+(0*dy)).^2));% Onda esférica aprox.

paraxial Oe=0.5*(Oe./(max(max(Oe)))); % Normalización Oe=Oe.*(t); % transmitancia * onda % Defecto tipo PEAKS np=2.26; p=peaks(N); p=p./max(max(abs(p))); pp=(np*lambda).*p; % pp=imgaussfilt(c,3); % Suavizado Gaussiano fd=exp(1i*k*pp); % defecto en fase %% Interferencia de los campos % % Onda aberrada % Oa=Oe.*fd; % El corrimiento de fase se realiza en la onda de referencia % % I1 % I1=(Op.*exp(1i*(0)))+(Oa); I1=I1.*supp; I1=abs(I1); % I2 % I2=(Op.*exp(1i*((pi)/2)))+(Oa); I2=I2.*supp; I2=abs(I2); % I3 % I3=(Op.*exp(1i*(pi))+(Oa)); I3=I3.*supp; I3=abs(I3); % I4 % I4=(Op.*exp(1i*(3*pi)/2))+(Oa); I4=I4.*supp; I4=abs(I4); % figure subplot(2,2,1) imagesc(x,y,abs(I1)) set(gca,'xtick',[],'ytick',[]) set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) title('0 \pi'); axis square colormap(gray) subplot(2,2,2) imagesc(x,y,abs(I2)) set(gca,'xtick',[],'ytick',[]) set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) title('^{1}/_{2} \pi'); axis square colormap(gray) subplot(2,2,3)

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imagesc(x,y,abs(I3)) set(gca,'xtick',[],'ytick',[]) set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) title('\pi'); axis square colormap(gray) subplot(2,2,4) imagesc(x,y,abs(I4)) set(gca,'xtick',[],'ytick',[]) set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) title('^{3}/_{2} \pi'); axis square colormap(gray) % Recuperación de la fase % fs=atan((I4-I2)./(I1-I3)); % La escala no va de -pi a pi, va de -pi/2 a

pi/2 % vfs=fs(N/2,:); % La escala no va de -pi a pi, va de -pi/2 a pi/2 fsre=fs.*(pi./(max(max(abs(fs))))); % reescalamiento % vfsre=(vfs*(pi/max(vfs))); % reescalamiento % q=unwrap(vfsre); Q=unwrap(fsre); Q=(1/k).*Q; % Regresa la fase en valores de camino óptico figure mesh(-Q) title('Fase recuperada "DCO"'); zlabel('\bf\lambda'); view(-45,50) set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) colormap jet

d1=['Distancia al plano de observación: ',num2str(z),' micras']; disp(d1)

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Anexo IV – Código de programa para la simulación numérica de

un IDP con desplazamiento de fase y obtención de los defectos en

un frente de onda % Simulación IDP con corrimiento de fase (4 imágenes) % % Elaboró: José Alex Zenteno Hernández % clear all clc close all %% Espacio de trabajo %% % Escala en micras % Dx=100000; % 10 cm - 100000 micras N=1000; dx=Dx/N; dy=dx; x=[-N/2:N/2-1]*dx; y=x'; [X,Y]=meshgrid(x,y); % Cambio de coordenadas % [theta,r]=cart2pol(X,Y); % Soporte circular % R=max(x); supp=r<=R; %% Parámetros del sistema %% lambda=0.632; % micras / Rojo k=2*pi/lambda; %% Distancias %% zz=input('Distancia al plano de observación (cm): '); z=zz*10000; defoco=input('Defoco (micras): '); zPlaca=z+defoco; zOe=z; %% Transmitancia de la placa del IDP %% % Parte de vidrio % nv=1.541; % Índice de refracción de la placa de vidrio ev=1000; % 1 mm del espesor del vidrio Tv=1; % Transmitancia de la placa tv=Tv*exp(1i*k*nv*ev); % Función de amplitud y fase de la placa % Parte de aluminio % na=1.396; % Índice de refracción de la película de aluminio % ea=0.02; % 0.02 micras del espesor del aluminio ea=0.03; % 0.03 micras del espesor del aluminio % ea=0.04; % 0.04 micras del espesor del aluminio Ta=1; % Transmitancia de la película ta=Ta*exp(1i*k*na*ea); % Función de amplitud y fase de la placa %% Onda de la placa %% % Distribución de intensidad % a=3; % Radio del orificio, 5 micras % diametro=a*2; % r=radio del plano de observación (r0) arg=((a*k*(r))./zPlaca); Ap=(2*pi*a^2)*((besselj(1,arg))./(arg)); % Amplitud de la onda Ap=0.5*(Ap./(max(max(Ap)))); % Normalización % FASE % % Aproximando la fase de la onda de la placa a una onda esférica %

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% En caso de desplazamientos laterales de la placa, habilitar % despx=input('Desplazamiento horizontal de la placa (micras): '); despy=input('Desplazamiento vertical de la placa (micras): '); % despx=0; % despy=0; rf=sqrt((X+(despx)).^2+(Y+(-despy)).^2+((zPlaca).^2)); fp=(1./rf).*exp(-1i*k*rf); fe=k*rf; % Fase esférica vfe=fe(N/2,:); fp=fp./(max(max(fp)));% Normalización % CAMPO COMPLETO % Op=Ap.*fp.*tv; %% Onda esférica paraxial %% t=tv*ta; % transmitancia y fase dela placa de vidrio y la película de

aluminio A=1; % Amplitud Opl=(A)*exp(-1i*k*zOe); % Parte plana Oe=(1./zOe).*Opl.*exp((-

1i)*((k)/(2*zOe))*((X+(0*dx)).^2+(Y+(0*dy)).^2));% Onda esférica aprox.

paraxial fep=(k*zOe)+(((k)/(2*zOe))*((X+(0*dx)).^2+(Y+(0*dy)).^2)); % Fase

esférica paraxial vfep=fep(N/2,:); Oe=0.5*(Oe./(max(max(Oe)))); % Normalización Oe=Oe.*(t); % transmitancia * onda clc %% Adición de defectos locales %% % Defecto circular desplazado hcirc=1.3; % unidades arbitrarias rd=sqrt((X+((350)*dx)).^2+(Y+((0)*dy)).^2); dcd=rd<=7000; % defecto circular desplazado h=hcirc*lambda; % Altura del defecto en lambdas dc=(h).*dcd; % el defecto ahora tiene la altura en lambdas dc=imgaussfilt(dc,25); % Suavizado Gaussiano % vr3=r3(N/2,:); df=exp(1i*k*dc); % defecto en fase %% Interferencia de los campos % % Onda aberrada % Oa=Oe.*df; % El corrimiento de fase se realiza en la onda de referencia % % I1 % I1=(Op.*exp(1i*(0)))+(Oa); I1=I1.*supp; I1=abs(I1); % I2 % I2=(Op.*exp(1i*((pi)/2)))+(Oa); I2=I2.*supp; I2=abs(I2); % I3 % I3=(Op.*exp(1i*(pi))+(Oa)); I3=I3.*supp; I3=abs(I3); % I4 % I4=(Op.*exp(1i*(3*pi)/2))+(Oa); I4=I4.*supp; I4=abs(I4); %

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figure subplot(2,2,1) imagesc(x,y,abs(I1)) set(gca,'xtick',[],'ytick',[]) set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) title('0 pi'); axis square colormap(gray) subplot(2,2,2) imagesc(x,y,abs(I2)) set(gca,'xtick',[],'ytick',[]) set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) title('pi/2'); axis square colormap(gray) subplot(2,2,3) imagesc(x,y,abs(I3)) set(gca,'xtick',[],'ytick',[]) set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) title('pi'); axis square colormap(gray) subplot(2,2,4) imagesc(x,y,abs(I4)) set(gca,'xtick',[],'ytick',[]) set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) title('3/2 pi'); axis square colormap(gray) % Recuperación de la fase % fs=atan((I4-I2)./(I1-I3)); % La escala no va de -pi a pi, va de -pi/2 a

pi/2 % vfs=fs(N/2,:); % La escala no va de -pi a pi, va de -pi/2 a pi/2 fsre=fs.*(pi./(max(max(abs(fs))))); % reescalamiento % vfsre=(vfs*(pi/max(vfs))); % reescalamiento % q=unwrap(vfsre); Q=unwrap(fsre); H=1/k; OPDa=H.*Q; % Regresa la fase en valores de camino óptico figure mesh(-OPDa) view(-45,70) title('Fase recuperada "DCO"'); set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) colormap jet %% Datos %% dz=['Distancia al plano de observación: ',num2str(zz),' cm']; disp(dz) ddef=['Defoco: ',num2str(defoco),' micras']; disp(ddef) ddx=['Desplazamiento horizontal de la placa: ',num2str(despx),' micras']; disp(ddx) ddy=['Desplazamiento vertical de la placa: ',num2str(despy),' micras']; disp(ddy) %% Recuperación de la fase sin aberraciones %% % Interferencia de los campos % % Onda aberrada %

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Oa=Oe; % El corrimiento de fase se realiza en la onda de referencia % % I1 % I1=(Op.*exp(1i*(0)))+(Oa); I1=I1.*supp; I1=abs(I1); % I2 % I2=(Op.*exp(1i*((pi)/2)))+(Oa); I2=I2.*supp; I2=abs(I2); % I3 % I3=(Op.*exp(1i*(pi))+(Oa)); I3=I3.*supp; I3=abs(I3); % I4 % I4=(Op.*exp(1i*(3*pi)/2))+(Oa); I4=I4.*supp; I4=abs(I4); % figure subplot(2,2,1) imagesc(x,y,abs(I1)) set(gca,'xtick',[],'ytick',[]) set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) title('0 pi'); axis square colormap(gray) subplot(2,2,2) imagesc(x,y,abs(I2)) set(gca,'xtick',[],'ytick',[]) set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) title('pi/2'); axis square colormap(gray) subplot(2,2,3) imagesc(x,y,abs(I3)) set(gca,'xtick',[],'ytick',[]) set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) title('pi'); axis square colormap(gray) subplot(2,2,4) imagesc(x,y,abs(I4)) set(gca,'xtick',[],'ytick',[]) set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) title('3/2 pi'); axis square colormap(gray) % Recuperación de la fase % fs=atan((I4-I2)./(I1-I3)); % La escala no va de -pi a pi, va de -pi/2 a

pi/2 % vfs=fs(N/2,:); % La escala no va de -pi a pi, va de -pi/2 a pi/2 fsre=fs.*(pi./(max(max(abs(fs))))); % reescalamiento % vfsre=(vfs*(pi/max(vfs))); % reescalamiento % q=unwrap(vfsre); Q=unwrap(fsre); H=1/k;

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OPD=H.*Q; % Regresa la fase en valores de camino óptico figure mesh(-OPD) view(-45,70) title('Fase recuperada "DCO"'); set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) colormap jet %% Obtención del defecto %% dif=OPD-OPDa; figure mesh(dif) title('Defecto "DCO"'); set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) h1=max(max(dif)); h1h=h1*lambda; d2=['Altura máxima del defecto: ',num2str(h1),' lambda / ',num2str(h1h),'

micras']; disp(d2) dif=dif.*(2*pi); % Defecto con valores de fase figure mesh(dif) title('Defecto "Fase"'); set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) h2=max(max(dif)); d3=['Altura máxima del defecto experimental (fase): ',num2str(h2),'

rad']; disp(d3)

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Anexo V – Código de programa para la simulación numérica de

un IDP con desplazamiento de fase, obtención de los defectos en

un frente de onda y generación de imagen en escala de grises para

modulación.

% Simulación IDP con corrimiento de fase (4 imágenes) % % Elaboró: José Alex Zenteno Hernández % clear all clc close all %% Espacio de trabajo %% % Escala en micras % Dx=100000; % 10 cm - 100000 micras N=1000; dx=Dx/N; dy=dx; x=[-N/2:N/2-1]*dx; y=x'; [X,Y]=meshgrid(x,y); % Cambio de coordenadas % [theta,r]=cart2pol(X,Y); % Soporte circular % R=max(x); supp=r<=R; %% Parámetros del sistema %% lambda=0.632; % micras / Rojo k=2*pi/lambda; %% Distancias %% % zz=input('Distancia al plano de observación (cm): '); zz=55; z=zz*10000; % defoco=input('Defoco (micras): '); defoco=0; zPlaca=z+defoco; zOe=z; %% Transmitancia de la placa del IDP %% % Parte de vidrio % nv=1.541; % Índice de refracción de la placa de vidrio ev=1000; % 1 mm del espesor del vidrio Tv=1; % Transmitancia de la placa tv=Tv*exp(1i*k*nv*ev); % Función de amplitud y fase de la placa % Parte de aluminio % na=1.396; % Índice de refracción de la película de aluminio % ea=0.02; % 0.02 micras del espesor del aluminio ea=0.03; % 0.03 micras del espesor del aluminio % ea=0.04; % 0.04 micras del espesor del aluminio Ta=1; % Transmitancia de la película ta=Ta*exp(1i*k*na*ea); % Función de amplitud y fase de la placa %% Onda de la placa %% % Distribución de intensidad % a=3; % Radio del orificio, 5 micras % diametro=a*2; % r=radio del plano de observación (r0)

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arg=((a*k*(r))./zPlaca); Ap=(2*pi*a^2)*((besselj(1,arg))./(arg)); % Amplitud de la onda Ap=0.5*(Ap./(max(max(Ap)))); % Normalización % FASE % % Aproximando la fase de la onda de la placa a una onda esférica % % En caso de desplazamientos laterales de la placa, habilitar % % despx=input('Desplazamiento horizontal de la placa (micras): '); % despy=input('Desplazamiento vertical de la placa (micras): '); despx=0; despy=0; rf=sqrt((X+(despx)).^2+(Y+(-despy)).^2+((zPlaca).^2)); fp=(1./rf).*exp(-1i*k*rf); fe=k*rf; % Fase esférica vfe=fe(N/2,:); fp=fp./(max(max(fp)));% Normalización % CAMPO COMPLETO % Op=Ap.*fp.*tv; %% Onda esférica paraxial %% t=tv*ta; % transmitancia y fase dela placa de vidrio y la película de

aluminio A=1; % Amplitud Opl=(A)*exp(-1i*k*zOe); % Parte plana Oe=(1./zOe).*Opl.*exp((-

1i)*((k)/(2*zOe))*((X+(0*dx)).^2+(Y+(0*dy)).^2));% Onda esférica aprox.

paraxial fep=(k*zOe)+(((k)/(2*zOe))*((X+(0*dx)).^2+(Y+(0*dy)).^2)); % Fase

esférica paraxial vfep=fep(N/2,:); Oe=0.5*(Oe./(max(max(Oe)))); % Normalización Oe=Oe.*(t); % transmitancia * onda clc %% Adición de defectos locales %% % Defecto circular desplazado hcirc=1.3; % unidades arbitrarias rd=sqrt((X+((350)*dx)).^2+(Y+((0)*dy)).^2); dcd=rd<=7000; % defecto circular desplazado h=hcirc*lambda; % Altura del defecto en lambdas dc=(h).*dcd; % el defecto ahora tiene la altura en lambdas dc=imgaussfilt(dc,25); % Suavizado Gaussiano % vr3=r3(N/2,:); df=exp(1i*k*dc); % defecto en fase %% Interferencia de los campos % % Onda aberrada % Oa=Oe.*df; % El corrimiento de fase se realiza en la onda de referencia % % I1 % I1=(Op.*exp(1i*(0)))+(Oa); I1=I1.*supp; I1=abs(I1); % I2 % I2=(Op.*exp(1i*((pi)/2)))+(Oa); I2=I2.*supp; I2=abs(I2); % I3 % I3=(Op.*exp(1i*(pi))+(Oa)); I3=I3.*supp; I3=abs(I3);

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% I4 % I4=(Op.*exp(1i*(3*pi)/2))+(Oa); I4=I4.*supp; I4=abs(I4); % figure subplot(2,2,1) imagesc(x,y,abs(I1)) set(gca,'xtick',[],'ytick',[]) set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) title('0 pi'); axis square colormap(gray) subplot(2,2,2) imagesc(x,y,abs(I2)) set(gca,'xtick',[],'ytick',[]) set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) title('pi/2'); axis square colormap(gray) subplot(2,2,3) imagesc(x,y,abs(I3)) set(gca,'xtick',[],'ytick',[]) set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) title('pi'); axis square colormap(gray) subplot(2,2,4) imagesc(x,y,abs(I4)) set(gca,'xtick',[],'ytick',[]) set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) title('3/2 pi'); axis square colormap(gray) % Recuperación de la fase % fs=atan((I4-I2)./(I1-I3)); % La escala no va de -pi a pi, va de -pi/2 a

pi/2 % vfs=fs(N/2,:); % La escala no va de -pi a pi, va de -pi/2 a pi/2 fsre=fs.*(pi./(max(max(abs(fs))))); % reescalamiento % vfsre=(vfs*(pi/max(vfs))); % reescalamiento % q=unwrap(vfsre); Q=unwrap(fsre); H=1/k; OPDa=H.*Q; % Regresa la fase en valores de camino óptico figure mesh(-OPDa) view(-45,70) title('Fase recuperada "DCO"'); set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) set(gca,'xtick',[],'ytick',[],'ztick',[]) colormap jet %% Datos %% dz=['Distancia al plano de observación: ',num2str(zz),' cm']; disp(dz) ddef=['Defoco: ',num2str(defoco),' micras']; disp(ddef) ddx=['Desplazamiento horizontal de la placa: ',num2str(despx),' micras'];

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disp(ddx) ddy=['Desplazamiento vertical de la placa: ',num2str(despy),' micras']; disp(ddy) %% Recuperación de la fase sin aberraciones %% % Interferencia de los campos % % Onda aberrada % Oar=Oe; % El corrimiento de fase se realiza en la onda de referencia % % I1 % I1=(Op.*exp(1i*(0)))+(Oar); I1=I1.*supp; I1=abs(I1); % I2 % I2=(Op.*exp(1i*((pi)/2)))+(Oar); I2=I2.*supp; I2=abs(I2); % I3 % I3=(Op.*exp(1i*(pi))+(Oar)); I3=I3.*supp; I3=abs(I3); % I4 % I4=(Op.*exp(1i*(3*pi)/2))+(Oar); I4=I4.*supp; I4=abs(I4); % figure subplot(2,2,1) imagesc(x,y,abs(I1)) set(gca,'xtick',[],'ytick',[]) set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) title('0 pi'); axis square colormap(gray) subplot(2,2,2) imagesc(x,y,abs(I2)) set(gca,'xtick',[],'ytick',[]) set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) title('pi/2'); axis square colormap(gray) subplot(2,2,3) imagesc(x,y,abs(I3)) set(gca,'xtick',[],'ytick',[]) set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) title('pi'); axis square colormap(gray) subplot(2,2,4) imagesc(x,y,abs(I4)) set(gca,'xtick',[],'ytick',[]) set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) title('3/2 pi'); axis square colormap(gray) % Recuperación de la fase % fs=atan((I4-I2)./(I1-I3)); % La escala no va de -pi a pi, va de -pi/2 a

pi/2

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% vfs=fs(N/2,:); % La escala no va de -pi a pi, va de -pi/2 a pi/2 fsre=fs.*(pi./(max(max(abs(fs))))); % reescalamiento % vfsre=(vfs*(pi/max(vfs))); % reescalamiento % q=unwrap(vfsre); Q=unwrap(fsre); H=1/k; OPD=H.*Q; % Regresa la fase en valores de camino óptico figure mesh(-OPD) view(-45,70) title('Fase recuperada "DCO"'); set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) colormap jet %% Obtención del defecto %% dif=OPD-OPDa; figure mesh(dif) title('Defecto "DCO"'); set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) h1=max(max(abs(dif))); h1h=h1*lambda; d2=['Altura máxima del defecto: ',num2str(h1),' lambda / ',num2str(h1h),'

micras']; disp(d2) dif=dif.*(2*pi); % Defecto con valores de fase figure mesh(dif) title('Defecto "Fase"'); set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) h2=max(max(abs(dif))); d3=['Altura máxima del defecto experimental (fase): ',num2str(h2),'

rad']; disp(d3) figure fdes=unwrap(angle(df)); mesh(fdes) title('Defecto "Fase" teórico'); h3=max(max((fdes))); d4=['Altura del defecto teórico (fase): ',num2str(h3),' rad']; disp(d4) %% Modulación %% % Función de fase moduladora % fi=-dif; ffm=exp(1i*fi); fm=(angle(ffm)); figure mesh(((unwrap(angle(ffm))))); title('Función de modulación'); zlabel('\bf \pi'); set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) % Mascarilla % figure mesh(fm); title('Defecto envuelto'); mascarilla=mat2gray(fm); % Función de fase a escala de grises figure imagesc(mascarilla)

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colormap gray title('Imagen a escala de grises') % Compensación del defecto % Oam=Oa.*ffm; % Interferencia modulada % Imod=Op+Oam; Imod=Imod.*supp; Imod=abs(Imod); Imod=mat2gray(Imod).*supp; figure imagesc(Imod) set(gca,'xtick',[],'ytick',[]) set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) title('IDP modulado'); axis square colormap(gray) I1=mat2gray(I1); figure imagesc(I1) title('Interferograma de referencia') colormap gray axis square set(gca,'xtick',[],'ytick',[]) set(gca,'xticklabel',[],'yticklabel',[]) % Correlación entre interferogramas % c=corr2(Imod,I1); dc=['Coeficiente de correlación entre interferogramas: ',num2str(c)]; disp(dc)