Determinación de distribuciones de fase mediante luz estructurada y detecció integrada

Abstract

La observación fue la primera herramienta del hombre para entender su entorno y comprender los fenómenos naturales que se presentaban a lo largo del tiempo. Algunas de las explicaciones a dichos fenómenos se pueden percibir en registros históricos, en forma de monumentos, escritos o pinturas. La curiosidad y el anhelo por dar una explicación a los fenómenos naturales más elementales conllevó también a desarrollar los medios y herramientas para facilitar su comprensión. Con el paso del tiempo y el gradual desarrollo del pensamiento deductivo, su objeto de estudio no solo se limitaba a su entorno cercano, sino también a su entorno más lejano, como son los planetas y las estrellas. Los primeros vestigios de tales estudios se reflejan en registros antiguos acerca del movimiento de la luna, el sol, la tierra y otros cuerpos celestes que permitían determinar el tiempo adecuado para sembrar y cosechar, así como para orientarse en desplazamientos y viajes. El refinamiento en sus observaciones provocaron la creación de los primeros calendarios y tablas que describen eclipses, fases lunares, cambios de estaciones, etc. Siglos más tarde, el telescopio revolucionó el estudio de los cuerpos celestes. Esto produjo el descubrimiento de los anillos de Saturno, las lunas Júpiter, las millones de estrellas que componen la Vía Láctea, entre otros. El interés por estudiar a los objetos enormes y distantes más allá del cielo, también generó el interés por observar y estudiar a los objetos diminutos. El microscopio cumplió con este cometido magnificando los microorganismos, células humanas y otros objetos minúsculos. Así, el mundo microscópico se hizo visible al ojo humano. Sin embargo, muy pronto los especialistas en este campo se dieron cuenta de los desafíos que debían resolver como, por ejemplo, mejorar la imagen, la calidad de las lentes, la capacidad del microscopio para aumentar la imagen, entre otros. Un desafío en este campo es la obtención de imágenes de objetos delgados y transparentes, como puede ser una muestra biológica, un material, un gas, etc. Una imagen de esta clase de objetos carece de contraste, ya que la luz que incide sobre ellos interactúa muy débilmente. Así, con el fin de resolver este problema se desarrollaron una amplia gama de técnicas e instrumentos, y rápidamente condujo al desarrollo de dispositivos muy especializados con aplicaciones en medicina, biología, ciencia de materiales, entre otros campos. Aún así, la búsqueda de métodos más prácticos y simples continúa en desarrollo. En esta tesis se desarrolla experimentalmente un arreglo óptico que reconstruye imágenes de objetos transparentes. El arreglo está basado en un interferómetro de Mach-Zehnder que tiene incorporado un modulador espacial de luz (SLM, spatial light modulator) basado en microespejos o DMD (digital micromirror device), y un detector de un solo píxel como dispositivo de detección. El sistema óptico reconstruye imágenes de fase y de amplitud de objetos transparentes y semitransparentes. El DMD permite la aplicación de la técnica holográfica de desplazamiento de fase (phase-shifting) sin la necesidad de utilizar láminas de retardo o actuadores piezoeléctricos. Por otro lado, los detectores de un solo píxel se pueden emplear en rangos espectrales fuera del visible o cuando existe un medio difusor situado enfrente del detector. Como resultado, el sistema óptico propuesto reconstruye imágenes a través de un medio difusor, una clara ventaja sobre detectores basados en arreglos matriciales de píxeles (CCD o CMOS). Para optimizar el sistema se empleó un detector balanceado, permitiendo que el tiempo de muestreo, la cantidad de datos adquiridos y el número de hologramas utilizados se redujeron en un 50 % en comparación con un detector monopixel. Además, el sistema es adaptativo, ya que es posible compensar las distorsiones producidas por los dispositivos empleados.