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Microscopio autoestigmático.
Descripción y verificación de prestación.
Ernesto Sánchez-Blanco. M
Diseño Sistemas Ópticos.
María Moliner, local 9B. 41008 Sevilla
www.opticaldevelopment.es 2/1/2023 Ver 0.0
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Contenidos
1 Puesta a punto para su uso.............................................................................................................. 3
2 Descripción de la unidad .................................................................................................................. 3
3 Requerimientos y verificación de cumplimiento ................................................................................ 5
4 Sugerencias para el uso de la unidad. .............................................................................................. 8
Nota Técnica
Issue number:0.0
Issue date:02-Ene-23
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1 Puesta a punto para su uso
La unidad se envía con tres componentes:
• Fuente LED,
• Cable de fibra óptica,
• Microscopio autoestigmático.
Bastará conectar la fuente LED al microscopio con la fibra ópticay el cable USB a la CMOS del
microscopio y un ordenador para que esté lista para su uso.
La primera vez habrá que instalar el driver de la cámara CMOS (bajarlo de
http://qhyccd.com/en/top/download/ suministrado por el fabricante).
El fabricante proporciona distintas opciones de software de control de cámara, nosotros sugerimos usar
software el "SharpCap" por su gran sencillez y disponibilidad de herramientas de visualización auxiliares.
2 Descripción de la unidad
La unidad es un diseño clásico de microscopio autoestigmático. El objeto (salida de una fibra de 10
micras de nucleo), se proyecta a través de un sistema de colimador-cámara en una imagen reducida un
factor 3.2 (focal colimador 160mm, focal cámara 50mm). El esquema de concepto se muestra en la
figura.
La imagen reflejada por la superficie a explorar, se observa con la cámara extrayendo del haz la luz con
un divisor de membrana de 50:50.
Figura 1: Concepto del microscopio autoestigmático.
La fibra con clavija SMA a ambos lados, por un lado conecta conla fuente LED 525nm aprox y por otro a
la entrada al microscopio.
Entre el colimador y la cámara hay un diafragma para limitar el F# de la iluminación. Éste se envía
preajustado a 25mm de apertura (un F#2) con objeto de obtener el mejor balance entre aberraciones y
buena sensibilidad a profundidad de foco.
La profundidad de foco, a la lambda usada y nº F# es de +-4 micras. ∆foco=+-F#^2 (a 500nm).
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La apertura es ajustable con un diafragma que se encuentra entre el colimador y el objetivo. Este se
puede abrir hasta F#1.4 o cerrar hasta aproximadamente un F#10 si hubiera necesidad de ello. Para ello
se seguiran los siguientes pasos:
• Desenroscar el objetivo CANON de barrilete.
• Una vez expuesto el barrilete, desatornillar los 3 tornillos frontales INOX M4 avellanados con una
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Figura 2: Objetivo desenroscado del barril, mostrando los tornillos para sacar el anillo que contiene el
diafragma.
• Se extrae del barril el anillo que soporta el diafragma. Por la parte trasera se encuentra el perno
que permite ajustar el diámetro del diafragma al tamaño necesario.
• Se ensambla todo siguiendo los pasos inversos.
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Figura 3: Detalle del diafragma una vez retirado el objetivo CANON.
3 Requerimientos y verificación de cumplimiento
El microscopio se planteó con dos requerimientos y los valores obtenidos se muestran en la siguiente
tabla.
Valor requerimiento Valor obtenido
Espacio punto focal a mecánica >30mm 36.9 mm
Precisión de la medida <+-25 micras <+-5 micras
La verificación de ambos requerimientos se ha hecho en el banco nodal del laboratorio, enfrentando el
microscopio a una superficie reflectante y haciendo la inspección de la imagen retornada. El microsopio
va montado sobre un rail óptico que permite medir la posición con un error de +-5 micras.
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Figure 1: Vista general de la prueba con el monitor de posición de posicion del banco nodal a la
izquierda y la imagen de retorno (monitor grande) con la gráfica de foco óptimo.
Figure 2: Indicación de espacio libre de inspección delante del microscopio. En caso de hacerse a través
de una ventana esta distancia aumentará con el espesor óptico.
Para determinar el ajuste óptimo de foco usamos alguna de las herramientas auxiares de enfoque
suministradas con el software de la cámara QHYII. En la gráfica se muestra la fwhm cuando se hace un
recorrido total de 30 micras moviendo el microscopio en el rail del banco nodal.
Un movimiento de 5 micras deteriora cláramente la prestación del sistema, estando la sensibilidad por
debajo de este valor.
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Figura 4: FWHM del disco de la fibra (eje Y) frente a desplazamiento del microscopio (eje X). Se puede
apreciar la sensibilidad de la medida a medida que se va moviendo el miscroscopio.
El software SharpCap tiene varias herramientas (disponibles en el menú de uso de la cámara) para
optimizar foco. Dos de ellas las encontramos particularmente precisas para este propósito durante las
pruebas.
En ambas, la optimización de foco dan precisiones repetibles por debajo de +-5 micras para este
sistema.
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Figura 5: Herramienta de foco "contrast edge detection". Busca la posición óptima de foco maximizando
el contraste de la imagen. En el eje X se ha hecho una batida de posiciones de foco.
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Figura 6: Herramienta de foco "fwhm measurement". Busca la posición óptima de foco minimizando el
fwhm. En el eje X se ha hecho una batida de posiciones de foco.Tener cuidado porque si el nivel de
cuentas es bajo, salen medidas erroneas del fwhm.
4 Sugerencias para el uso de la unidad.
El microscopio proyecta la fuente 36.9mm por delante del chasis mecánico. La superficie sobre la que se
quiere reflejar el haz deberá estar a una distancia cercana a este valor y reflejar al menos una pequeña
cantidad de luz.
En un primer momento el objeto estará lejos de foco, si la reflectancia fuera muy pequeña (por ejemplo
con un detector de alta QE) seguir los siguientes pasos:
-Apuntar el microscopio de forma normal a la superficie (no es crítico pues el cono de recogida de fluz es
de 53º a F#2).
-Aumentar el tiempo de exposición de la cámara hasta ver la pupila desenfocada. Normalmente no será
circular (estará viñeteada) por el error de ángulo de apuntado sobre la superficie.
-Cabecear el microscopio (en una montura apropiada para ello), para ver la pupila circular
completamente iluminada.
-Mover z hasta buscar foco óptimo de manera qualitativa (habrá que disminuir el tiempo de exposición).
-Abrir una de las herramientas de búsqueda de foco fino y ajustar la posición de foco a su valor óptimo
de forma cuantitativa (comprobar que no hay píxeles saturados con la herramienta de histograma).
En caso de que la reflectancia fuera tan baja que no se lograra identificar el retorno, se puede cambiar
inicialmente la fibra suministrada por otra de un diámetro mucho mayor (p ej 100 micras de diámetro) con
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objeto de aumentar en órdenes de magnitud el flujo de la imagen proyectada y ver más rápidamente el
retorno.
Si la reflectancia fuera tan baja a la lambda suministrada por la fibra, o por el uso de filtros en el camino
óptico habría que cambiar la lambda de iluminación usando otro LED. En principio la unidad debiera
funcionar bien entre 400 y 650nm. Fuera de este rango posiblemente se pueda seguir operando con un
deterioro en la calidad de la psf.
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