Sobre métodos ópticos para la reconstrucción del frente de ondanovedades, mejoras y modificaciones en los métodos para aplicaciones en la industria aeroespacial

Resumen

Los diferentes métodos ópticos para la recuperación de la fase y por tanto para el frente de onda pasan por una serie de técnicas, como las interferométricas y otras no directas entre las que destacan el sensado Shack-Hartmann y los métodos iterativos en los que se minimiza una función objetivo. La industria aeroespacial hace uso de estas técnicas provenientes de la metrología óptica para la integración de instrumentos esencialmente ópticos. Sin embargo, no es la única industria, ni área que hace uso de estas, un ejemplo es la microscopia, la cual también ha aportado con nuevas técnicas. Actualmente las técnicas de recuperación del frente onda se han apropiado y robustecido desde la algoritmia de áreas como la computación gráfica, y desde el punto de vista del tratamiento de señales provenientes de la ingeniería electrónica y de telecomunicaciones con el diseño de filtros y la demodulación de la fase en el espacio frecuencial. Por otro lado, no solo la algoritmia ha sido mejorada, los métodos ópticos experimentales han desencadenado en desarrollos novedosos con la aparición de tecnologías emergentes basadas en cristal-liquido (Moduladores espaciales de luz. SLMs). La gran ventaja de estos dispositivos es la capacidad de modular fase, amplitud o ambas con una relativa facilidad en su uso. Adicionalmente los nuevos dispositivos tienen cada vez mejor desempeños en las capacidades de modulación, en los tiempos de respuesta, mayor resolución, entre otras. En resumen esta memoria de tesis propone métodos novedosos e introduce mejoras en otros para las técnicas de recuperación del frente de onda que son usados en los procesos de integración de instru-mentos ópticos para espacio. Desde la interferometría convencional se propone un método capaz de reconstruir la fase con diferencias de intensidad abruptas en el campo a reconstruir, usando técnicas provenientes de la computación gráfica y la normalización de franjas a través de filtros descritos desde la teoría de señales. En interferometría electrónica de patrones de Speckle (ESPI) se hace una comparación para mostrar las ventajas de esta con respecto a la interferometría diferencial, la cual, no recupera la fase de un objeto extendido. También en ESPI se propone hacer la recuperación del frente de onda en aplicaciones topográficas usando dos longitudes de onda y haciendo adaptación del frente de onda con el uso de un SLM. En este sentido, propusimos un método completamente nuevo, en el cual modificamos el frente de onda introduciendo momento angular orbital (OAM) en un montaje ESPI, para superar las ambigüedades en el signo típicas en interferometría desde el experimento. Desde los métodos indirectos, donde principalmente nos centramos en el sensado Shack-Hartmann, se proponen dos nuevos métodos de procesar los patrones Hartmann. El primero usa el filtrado espiral de fase, a través del operador vórtice para hacer más fácil el cálculo de los centroides de manera tradicional. El filtro espiral de fase es una extensión de lo propuesto en el montaje experimental ESPI introduciendo un vorticidad óptica al haz de referencia, pero desde la perspectiva del procesamiento de imágenes, y adicionalmente es una generalización del algoritmo de normalización de franjas propuesto en el montaje de interferometría convencional. El segundo método es una propuesta novedosa que reconstruye la fase de forma zonal, haciendo uso del método de flujo óptico (optical flow) proveniente de la computación grafica para evitar el cálculo de los centroides de manera tradicional, lo cual es muy costoso computacionalmente. Por último se hace una revisión de los métodos iterativos de recuperación de la fase y su utilidad en la integración de instrumentos ópticos.