Optimizaci
´
on del sistema de iluminaci
´
on y
proyecci
´
on para un sensor multiparam
´
etrico
acusto-
´
optico
Optimization of the illumination and projection system for a multiparametric acousto-optic sensor
Patricia M. E. V
´
azquez
†1
and Germ
´
an E. Caro
†∗2
†
Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ingenier
´
ıa, Departamento de F
´
ısica, GLOmAe.
Paseo Col
´
on 850, C1063ACV, Buenos Aires, Argentina.
1
pvazquez@fi.uba.ar
∗
Consejo Nacional de Investigaciones Cient
´
ıficas y T
´
ecnicas de Argentina (CONICET).
Godoy Cruz 2290, C1425FQB, Buenos Aires, Argentina.
2
gcaro@fi.uba.ar
Resumen—En trabajos anteriores presentamos un novedoso
sensor multiparam
´
etrico que mide simult
´
aneamente el
´
ındice de refracci
´
on y la velocidad del sonido en un l
´
ıquido
aprovechando el efecto acusto-
´
optico. El sensor requiere un
sistema de iluminaci
´
on que expanda el haz l
´
aser de manera
tal que interact
´
ue eficazmente con el l
´
ıquido bajo estudio. Por
otra parte, tambi
´
en es necesario un sistema de proyecci
´
on a fin
de capturar adecuadamente el patr
´
on de difracci
´
on a la salida
de la celda. En este sentido, en este art
´
ıculo, presentamos
la optimizaci
´
on del sistema de iluminaci
´
on y proyecci
´
on del
sensor utilizando la herramienta computacional de dise
˜
no
´
optico Zemax OpticStudio. El rango considerado de
´
ındices
de refracci
´
on de las muestras l
´
ıquidas est
´
a comprendido
entre 1,33 y 1,51. Como resultado se obtuvo una correcta
expansi
´
on del haz incidente sobre la celda, y el sistema de
proyecci
´
on logra una imagen con muy pocas aberraciones
y una separaci
´
on angular adecuada entre los m
´
aximos del
patr
´
on de difracci
´
on. A su vez, las dimensiones resultantes del
sensor luego de la optimizaci
´
on del sistema de iluminaci
´
on y
proyecci
´
on permiten afirmar que es compacto y portable.
Palabras clave: dise
˜
no de sistema
´
optico; optimizaci
´
on;
aberraciones.
Abstract— In previous works we presented a novel
multiparametric sensor to simultaneously measure the
refractive index and the speed of sound in a liquid by means
of the acousto-optic effect. The sensor requires an illumination
system that expands the laser beam so that it interacts
effectively with the liquid under study. Also, a projection
system is necessary in order to adequately capture the
diffraction pattern at the cell exit. In this article, we present
the optimization of the sensor illumination and projection
system using the optical design computational tool Zemax
OpticStudio. The considered range of refractive indices of the
liquid samples is between 1.33 and 1.51. The results show a
correct expansion of the incident beam on the cell, and the
projection system achieves an image with very few aberrations
and an adequate angular separation between the maxima of
the diffraction pattern. Based on the resulting dimensions of
the sensor after optimizing the illumination and projection
system, we confirm that it is compact and portable.
Keywords: optics system design; optimization; aberrations.
I. INTRODUCCI
´
ON
La caracterizaci
´
on no destructiva de productos l
´
ıquidos de
biomasa, como los biocombustibles, es de creciente relevan-
cia [1]–[3]. En particular, es importante la caracterizaci
´
on de
productos de biomasa para verificar su calidad e identificar
contaminantes o adulterantes en el transporte, el almacena-
miento y la distribuci
´
on. En la actualidad, existen t
´
ecnicas
estandarizadas para la caracterizaci
´
on de biocombustibles,
como la espectroscopia infrarroja y la cromatograf
´
ıa. Sin
embargo, los instrumentos de medici
´
on empleados en dichas
t
´
ecnicas no son portables y son de elevado costo. Es de
inter
´
es emplear nuevas t
´
ecnicas y estudiar distintas propie-
dades para la caracterizaci
´
on de l
´
ıquidos de biomasa [4]–[8].
Las caracter
´
ısticas
´
opticas [9]–[11] y ac
´
usticas [12] de
los biocombustibles aportan informaci
´
on sobre propiedades
relacionables con la composici
´
on y el estado del l
´
ıquido. Un
trabajo previo [13] presenta un sensor multiparam
´
etrico en
forma de celda en cu
˜
na, que aprovecha la interacci
´
on luz-
materia para medir la velocidad del sonido en el l
´
ıquido y
su
´
ındice de refracci
´
on. Este dispositivo es de bajo costo,
no requiere personal especializado para su utilizaci
´
on y es
portable, es decir, que con el mismo se pueden realizar
mediciones “in-situ”, en campo o en planta.
La celda en cu
˜
na para refractometr
´
ıa o celda de Hughes
[14] est
´
a compuesta por dos prismas de un material transpa-
rente que forman una cavidad donde se coloca la muestra.
En la celda acusto-
´
optica se dan cuatro refracciones del haz
l
´
aser de manera tal que, ajustando el
´
angulo incidente, el
haz sale perpendicular a la superficie de salida de la celda
(Fig. 1). A partir de la medici
´
on del
´
angulo incidente sobre
la celda, se puede determinar el
´
ındice de refracci
´
on del
l
´
ıquido [15].
En la vista lateral del sensor (Fig. 2), se muestra que
se inyecta ultrasonido en el l
´
ıquido que se encuentra en
la celda a trav
´
es de un generador de radiofrecuencia (RF)
conectado a un amplificador, y luego al transductor piezo-
el
´
ectrico. Dentro de la celda acusto-
´
optica, el transductor
piezoel
´
ectrico origina una onda ultras
´
onica en el l
´
ıquido,
que a su vez produce variaciones peri
´
odicas de su
´
ındice de
Revista elektron, Vol. 8, No. 1, pp. 13-18 (2024)
ISSN 2525-0159
13
Recibido: 22/04/24; Aceptado: 30/05/24
Creative Commons License - Attribution-NonCommercial-
NoDerivatives 4.0 International (CC BY-NC-ND 4.0)
https://doi.org/10.37537/rev.elektron.8.1.190.2024
Original Article
Figura 1. Vista superior del sensor multiparam
´
etrico acusto-
´
optico, en la
que se indican el expansor de haz del sistema de iluminaci
´
on y el sistema
de proyecci
´
on.
Figura 2. Vista lateral del sensor multiparam
´
etrico acusto-
´
optico, en la
que se muestran los elementos para inyectar ultrasonido en el l
´
ıquido que
se encuentra en la celda, y se indican el expansor de haz del sistema de
iluminaci
´
on y el sistema de proyecci
´
on.
refracci
´
on. Cuando incide un haz de luz l
´
aser perpendicular
a la direcci
´
on de propagaci
´
on del ultrasonido, se da una
modulaci
´
on de fase en el frente de onda del haz. El l
´
ıquido
se comporta como una red de fase, dando lugar a un patr
´
on
de difracci
´
on (efecto acusto-
´
optico) [16]. El efecto acusto-
´
optico es utilizado para diversas aplicaciones, como micros-
cop
´
ıa e im
´
agenes biom
´
edicas [17] [18], fot
´
onica integrada
en niobato de litio [19], o gir
´
oscopos de onda progresiva
[20].
La velocidad del sonido se determina a partir del patr
´
on de
difracci
´
on [13]. En el fotodetector se proyecta el diagrama
de difracci
´
on originado en la celda acusto-
´
optica (Fig. 2). A
trav
´
es del fotodetector del sensor acusto-
´
optico, se miden las
posiciones de los m
´
aximos del patr
´
on de difracci
´
on proyec-
tados y las distancias entre los mismos. Por lo tanto, una
configuraci
´
on adecuada para el dise
˜
no del detector
´
optico
es un arreglo de fotodiodos discretos [21] [22]. En una
etapa del dise
˜
no del sensor posterior a la optimizaci
´
on del
sistema de iluminaci
´
on y proyecci
´
on, en la que se dise
˜
nar
´
a e
implementar
´
a el fotodetector, ser
´
a muy importante tener en
cuenta las especificaciones de relaci
´
on se
˜
nal a ruido, ancho
de banda y margen de fase [23].
Los sistemas
´
opticos reales, al enfocarlos, dan im
´
agenes
distribuidas en el espacio en lugar de un punto. Estas
propiedades, llamadas aberraciones, dan lugar a im
´
agenes
borrosas o distorsionadas, que dependen de la naturaleza de
la aberraci
´
on. Las aberraciones pueden ser estudiadas como
desv
´
ıos de la aproximaci
´
on paraxial, y deben ser tenidas
en cuenta y corregidas antes de fabricar o implementar un
sistema
´
optico [24]. Una de las aberraciones m
´
as comunes
es la aberraci
´
on esf
´
erica, donde los rayos con distinto
´
angulo
tienen el foco en el mismo eje pero distinta posici
´
on,
y surgen como consecuencia de utilizar lentes con caras
esf
´
ericas.
La alta complejidad del fen
´
omeno de las aberraciones
hace dif
´
ıcil un c
´
alculo anal
´
ıtico o num
´
erico manual, y
dificulta la correcta elecci
´
on de las piezas
´
opticas nece-
sarias. Por este motivo, existen numerosas herramientas
computacionales de dise
˜
no
´
optico que, utilizando
´
optica
geom
´
etrica no aproximada, permiten no s
´
olo ver el efecto de
estas aberraciones, sino tambi
´
en encontrar la combinaci
´
on
de par
´
ametros caracter
´
ısticos de cada elemento
´
optico que
las minimice. Esto lo realizan internamente creando una
funci
´
on que incluya los distintos criterios de optimizaci
´
on
que se deseen conseguir, que pueda ser calculada de manera
num
´
erica.
En este trabajo, presentamos la optimizaci
´
on del sistema
de iluminaci
´
on y proyecci
´
on del sensor acusto-
´
optico para
la medici
´
on simult
´
anea y no destructiva del
´
ındice de
refracci
´
on y de la velocidad del sonido en l
´
ıquidos (Fig.
1 y 2). Respecto al sistema de iluminaci
´
on, es importante
expandir el haz de luz a la entrada de la celda acusto-
´
optica para que interact
´
ue eficazmente con el l
´
ıquido bajo
estudio. A su vez, es necesario utilizar un sistema de
proyecci
´
on a la salida de la celda acusto-
´
optica para lograr
una separaci
´
on angular adecuada entre los m
´
aximos del
patr
´
on de difracci
´
on (Fig. 2). Realizamos la optimizaci
´
on
de los par
´
ametros de las lentes que forman el expansor de
haz del sistema de iluminaci
´
on y el sistema de proyecci
´
on
utilizando la herramienta computacional para el dise
˜
no de
sistemas
´
opticos, Zemax OpticStudio [25].
El art
´
ıculo se estructura de la manera que detallamos a
continuaci
´
on. En la Secci
´
on II, presentamos el esquema
experimental y el procedimiento de la optimizaci
´
on del
sistema de iluminaci
´
on y proyecci
´
on del sensor. Luego, en
la Secci
´
on III, mostramos los resultados de la optimizaci
´
on.
Finalmente, informamos las conclusiones y las perspectivas
de este trabajo, en la Secci
´
on IV.
II. ESQUEMA EXPERIMENTAL Y PROCEDIMIENTO DE LA
OPTIMIZACI
´
ON
El sensor multiparam
´
etrico acusto-
´
optico (Figs. 1 y 2)
est
´
a compuesto por un l
´
aser de He-Ne, de 632, 8 nm; un
expansor de haz (sistema de iluminaci
´
on); una celda acusto-
´
optica de 3 cm de lado y 6 cm de largo, con un transductor
piezoel
´
ectrico en el fondo de la cavidad y prismas de vidrio
de
´
ındice de refracci
´
on 1, 51; un amplificador; un generador
RF; un sistema de proyecci
´
on; y un fotodetector. Realizamos
la optimizaci
´
on del sistema de iluminaci
´
on, formado por las
lentes 1 y 2, y del sistema de proyecci
´
on, compuesto por
las lentes 3 y 4 (Fig. 3).
El sensor est
´
a dise
˜
nado para caracterizar l
´
ıquidos de
´
ındices de refracci
´
on 1, 33, 1, 40 y 1, 51, y los comprendidos
entre estos valores. En particular, el
´
ındice de refracci
´
on
1, 40 es de inter
´
es por ser pr
´
oximo al de muchos productos
l
´
ıquidos de biomasa. El
´
ındice de refracci
´
on del agua es
aproximadamente 1,33. No consideramos valores superiores
al
´
ındice de refracci
´
on del vidrio (1,51) visto que la mayor
´
ıa
de los fluidos de inter
´
es biotecnol
´
ogico tienen
´
ındice de
refracci
´
on por debajo de ese valor.
Otras especificaciones de la optimizaci
´
on son que el
sensor sea compacto, que el sistema de iluminaci
´
on expanda
el haz en la mayor medida posible pero considerando como
di
´
ametro m
´
aximo a la entrada de la celda 7, 500 mm, y que
el sistema de proyecci
´
on permita alcanzar un foco adecuado
Revista elektron, Vol. 8, No. 1, pp. 13-18 (2024)
ISSN 2525-0159
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