Научные статьи \ Прикладные науки. Медицина. Технология \ Инженерное дело. Техника в целом \ Общее машиностроение. Ядерная технология. Электротехника. Технология машиностроения \ Электротехника

Оптическое детектирование величины отдельных аберраций при помощи многоканального фильтра, согласованного с фазовыми функциями Цернике

Оптическое детектирование величины отдельных аберраций при помощи многоканального фильтра, согласованного с фазовыми функциями Цернике

Автор: Хорин Павел Алексеевич, Волотовский Сергей Геннадьевич, Хонина Светлана Николаевна

Журнал: Компьютерная оптика @computer-optics

Рубрика: Дифракционная оптика, оптические технологии

Статья в выпуске: 4 т.45, 2021 года.

Бесплатный доступ

В данной работе исследуется применение многоканального датчика волнового фронта, согласованного с фазовыми распределениями в виде функций Цернике, для определения типа и величины аберрации в исследуемом волновом фронте. Подход основан на поэтапной компенсации аберраций волнового фронта на основе динамически перестраиваемого пространственного модулятора света. В качестве критериев успешного детектирования рассмотрены не только величина корреляционного пика, но и максимальная интенсивность, компактность и ориентация распределения в каждом дифракционном порядке. На основе численного моделирования показана работоспособность предложенного подхода для детектирования как слабых, так и сильных (до длины волны) аберраций волнового фронта.

Еще

Аберрации волнового фронта, функции цернике, датчик волнового фронта, многоканальный дифракционный оптический элемент

Короткий адрес: https://sciup.org/140290247

IDR: 140290247   |   DOI: 10.18287/2412-6179-CO-906

Optical detection of values of separate aberrations using a multi-channel filter matched with phase Zernike functions

The use of a multichannel wavefront sensor matched with phase Zernike functions to determine the type and magnitude of aberration in the analyzed wavefront is investigated. The approach is based on stepwise compensation of wavefront aberrations based on a dynamically tunable spatial light modulator. As criteria for successful detection, not only the magnitude of the correlation peak, but also the maximum intensity, compactness, and orientation of the distribution in each diffraction order are considered. On the basis of numerical simulation, the efficiency of the proposed approach is shown for detecting both weak and strong (up to a wavelength) wavefront aberrations.

Еще

Список литературы Оптическое детектирование величины отдельных аберраций при помощи многоканального фильтра, согласованного с фазовыми функциями Цернике

  • Camacho, L. Quantitative phase microscopy using defocus-ing by means of a spatial light modulator / L. Camacho, V. Mico, Z. Zalevsky, J. Garcia // Optics Express. - 2010. -Vol. 18. - P. 6755-6766.
  • Lombardo, M. Wave aberration of human eyes and new descriptors of image optical quality and visual performance / M. Lombardo, G. Lombardo // Journal of Cataract & Refractive Surgery. - 2010. - Vol. 36. - P. 313-320.
  • Zhao, Q. Effect of optical aberration of telescopes to the laser radar / Q. Zhao, H. Fan, S. Hu, M. Zhong, L. Baida // Proceedings of SPIE. - 2010. - Vol. 7656. - 76565Z.
  • Gonzalez-Nunez, H. Pupil aberrations in Offner spectrometers / H. Gonzalez-Nunez, X. Prieto-Blanco, R. De la Fuente // Journal of the Optical Society of America A. - 2011. -Vol. 29. - P. 442-449.
  • Khonina, S.N. Analysis of wave aberration influence on reducing focal spot size in a high-aperture focusing system / S.N. Khonina, A.V. Ustinov, E.A. Pelevina // Journal of Optics. - 2011. - Vol. 13, Issue 9. - 095702. - DOI: 10.1088/2040-8978/13/9/095702.
  • Booth, M. Aberrations and adaptive optics in superresolution microscopy / M. Booth, D. Andrade, D. Burke, B. Patton, M. Zurauskas // Microscopy. - 2015. - Vol. 64. -P. 251-261.
  • Khonina, S.N. Zernike phase spatial filter for measuring the aberrations of the optical structures of the eye / S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, D.V. Kirsh // Journal of Biomedical Photonics & Engineering. - 2015. - Vol. 1, Issue 2. - P. 146-153. - DOI: 10.18287/jbpe-2015-1-2-146.
  • Хорин, П.А. Анализ аберраций роговицы человеческого глаза / П.А. Хорин, С.Н. Хонина, А.В. Карсаков, C.Л. Бранчевский // Компьютерная оптика. - 2016. -Т. 40, № 6. - С. 810-817. - DOI: 10.18287/0134-24522016-40-6-810-817.
  • Wilby, M.J. Designing and testing the coronagraphic modal wavefront sensor: A fast non-common path error sensor for high-contrast imaging / M.J. Wilby, C.U. Keller, S. Haert, V. Korkiakoski, F. Snik, A.G.M. Pietrow // Proceedings of SPIE. - 2016. - Vol. 9909. - 990921.
  • Клебанов, Я.М. Компенсация аберраций волнового фронта в телескопах космических аппаратов с регулировкой температурного поля телескопа / Я.М. Клебанов, A.В. Карсаков, С.Н. Хонина, А.Н. Давыдов, К.А. Поляков // Компьютерная оптика. - 2017. - Т. 41, № 1. - С. 30-36. -DOI: 10.18287/0134-2452-2017-41-1-30-36.
  • Расторгуев, А. А. Моделирование допустимых погрешностей расположения оптических элементов для космического гиперспектрометра, проектируемого по схеме Оффнера / А.А. Расторгуев, С.И. Харитонов, Н.Л. Казанский // Компьютерная оптика. - 2018. - Т. 42, № 3. - С. 424-431. -DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-3-424-431.
  • Абраменко, А.А. Калибровка взаимного расположения стереокамеры и трёхмерного сканирующего лазерного дальномера / А.А. Абраменко // Компьютерная оптика. - 2019. - Т. 43, № 2. - С. 220-230. - DOI: 10.18287/24126179-2019-43-2-220-230.
  • Martins, A.C. Measuring ocular aberrations sequentially using a digital micromirror device / A.C. Martins, B. Vohnsen // Micromachines. - 2019. - Vol. 10. - 117.
  • Baum, O.I. Control of laser-beam spatial distribution for correcting the shape and refraction of eye cornea / O.I. Baum, A.I. Omel'chenko, E.M. Kasianenko, R.V. Skidanov, N.L. Kazanskiy, E.N. Sobol', A.V. Bolshunov, S.E. Avetisov, V.Ya. Panchenko // Quantum Electronics. - 2020. - Vol. 50, Issue 1. - P. 87-93. - DOI: 10.1070/QEL17216.
  • Mu, Q. Adaptive optics imaging system based on a highresolution liquid crystal on silicon device / Q. Mu, Z. Cao, L. Hu, D. Li, L. Xuan // Optics Express. - 2006. - Vol. 14. - P. 8013-8018.
  • Ellerbroek, B.L. Inverse problems in astronomical adaptive optics / B.L. Ellerbroek, C.R. Vogel // Inverse Problems. -2009. - Vol. 25. - 063001.
  • Esposito, S. Large binocular telescope adaptive optics system: new achievements and perspectives in adaptive optics / S. Esposito, A. Riccardi, E. Pinna, A. Puglisi, F. Quiros-Pacheco, C. Arcidiacono, M. Xompero, R. Briguglio, G. Agapito, L. Busoni, L. Fini, J. Argomedo, A. Gherardi, G. Brusa, D. Miller, J.C. Guerra, P. Stefanini, P. Salinari // Proceedings of SPIE. - 2011. - Vol. 8149. - 814902.
  • Lukin, V.P. Adaptive optics in the formation of optical beams and images / V.P. Lukin // Physics-Uspekhi. - 2014. - Vol. 57, Issue 6. - P. 556-592.
  • Ji, N. Adaptive optical fluorescence microscopy / N. Ji // Nature Methods. - 2017. - Vol. 14. - P. 374-380.
  • Bond, C.Z. Adaptive optics with an infrared pyramid wave-front sensor / P. Wizinowich, M. Chun, D. Mawet, S. Lilley, S. Cetre, N. Jovanovic, J.-R. Delorme, E. Wetherell, S. Jacobson, C. Lockhart, E. Warmbier, J.K. Wallace, D.N. Hall, S. Goebel, O. Guyon, C. Plantet, G. Agapito, C. Giordano, S. Esposito, B. Femenia-Castella // Proceedings of SPIE. - 2018. - Vol. 10703. - 107031Z.
  • Mahajan, V.N. Zernike circle polynomials and optical aberration of system with circular pupils / V.N. Mahajan // Applied Optics. - 1994. - Vol. 33, Issue 34. - P. 8121-8124.
  • Love, G.D. Wavefront correction and production of Zernike modes with a Liquid crystal spatial light modulator / G.D. Love // Applied Optics. - 1997. - Vol. 36. - P. 1517-1525.
  • Khonina, S.N. Decomposition of a coherent light field using a phase Zernike filter / S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, V.A. Soifer, Y. Wang, D. Zhao // Proceedings of SPIE. -1998. - Vol. 3573. - P. 550-553. - DOI: 10.1117/12.324588.
  • Neil, M.A.A. New modal wave-front sensor: a theoretical analysis / M.A.A. Neil, M.J. Booth, T. Wilson // Journal of the Optical Society of America A. - 2000. - Vol. 17. - P. 1098-1107.
  • Booth, M.J. Direct measurement of Zemike aberration modes with a modal wavefront sensor / M.J. Booth // Proceedings of SPIE. - 2003. - Vol. 5162. - P. 79-90.
  • Sheppard, C.J.R. Zernike expansion of pupil filters: optimization of the signal concentration factor / C.J.R. Sheppard // Journal of the Optical Society of America A. - 2015. -Vol. 32, Issue 5. - P. 928-933.
  • Porfirev, A.P. Experimental investigation of multi-order dif-fractive optical elements matched with two types of Zernike functions / A.P. Porfirev, S.N. Khonina // Proceedings of SPIE. - 2016. - Vol. 9807. - 98070E. - DOI: 10.1117/12.2231378.
  • Wilby, M.J. The coronagraphic Modal Wavefront Sensor: a hybrid focal-plane sensor for the high-contrast imaging of circumstellar environments / M.J. Wilby, C.U. Keller, F. Snik, V. Korkiakoski, A.G.M. Pietrow // Astronomy & Astrophysics. - 2017. - Vol. 597. - A112.
  • Degtyarev, S.A. Zernike basis-matched multi-order diffrac-tive optical elements for wavefront weak aberrations analysis / S.A. Degtyarev, A.P. Porfirev, S.N. Khonina // Proceedings of SPIE. - 2017. - Vol. 10337. - 103370Q. - DOI: 10.1117/12.2269218.
  • Khonina, S.N. Wavefront aberration sensor based on a multichannel diffractive optical element / S.N. Khonina, S.V. Karpeev, A.P. Porfirev // Sensors. - 2020. - Vol. 20, Issue 14. - 3850. - DOI: 10.3390/s20143850.
  • Gerchberg, R. Phase determination for image and diffraction plane pictures in the electron microscope / R. Gerchberg, W. Saxton // Optik. - 1971. - Vol. 34. - P. 275-284.
  • Fienup, J.R. Reconstruction of an object from the modulus of its Fourier transform / J.R. Fienup // Optics Letters. -1978. - Vol. 3, Issue 1. - P. 27-29.
  • Elser, V. Phase retrieval by iterated projections / V. Elser // Journal of the Optical Society of America A. - 2003. -Vol. 20, Issue 1. - P. 40-55.
  • Marchesini, S. A unified evaluation of iterative projection algorithms for phase retrieval / S. Marchesini // Review of Scientific Instruments. - 2007. - Vol. 78, Issue 1. - 011301.
  • Zhang, C. Two-step phase retrieval algorithm using single-intensity measurement / C. Zhang, M. Wang, Q. Chen, D. Wang, S. Wei // International Journal of Optics. - 2018. - Vol. 2018. - 8643819.
  • Tokovinin, A. DONUT: measuring optical aberrations from a single extrafocal image / A. Tokovinin, S. Heathcote // Publications of the Astronomical Society of the Pacific. -2006. - Vol. 118, Issue 846. - P. 1165-1175.
  • Guo, H. Wavefront reconstruction with artificial neural networks / H. Guo, N. Korablinova, Q. Ren, J. Bille // Optics Express. - 2006. - Vol. 14, Issue 14. - P. 6456-6462.
  • Paine, S.W. Machine learning for improved image-based wavefront sensing / S.W. Paine, J.R. Fienup // Optics Letters. - 2018. - Vol. 43, Issue 6. - P. 1235-1238.
  • Rivenson, Y. Phase recovery and holographic image reconstruction using deep learning in neural networks / Y. Rivenson, Y. Zhang, H. Gunaydin, D. Teng, A. Ozcan // Light: Science & Applications. - 2018. - Vol. 7, Issue 2. - 17141.
  • Dzyuba, A.P. Optical phase retrieval with the image of intensity in the focal plane based on the convolutional neural networks / A.P. Dzyuba // Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - Vol. 1368, Issue 2. - 022055.
  • Nishizaki, Y. Deep learning wavefront sensing / Y. Nishizaki, M. Valdivia, R. Horisaki, K. Kitaguchi, M. Saito, J. Tanida, E. Vera // Optics Express. - 2019. -Vol. 27, Issue 1. - P. 240-251.
  • Родин, И.А. Распознавание типов аберраций волнового фронта, соответствующих отдельным функциям Церни-ке, по картине функции рассеяния точки в фокальной плоскости с применением нейронных сетей / И.А. Родин, С.Н. Хонина, П.Г. Серафимович, С.Б. Попов // Компьютерная оптика. - 2020. - Т. 44, № 6. - С. 923-930. - DOI: 10.18287/2412-6179-Ш-810.
Еще
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp