(43-4) 10 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Реконструкция волнового фронта, искажённого атмосферной турбулентностью, с использованием датчика Шэка–Гартмана

В.В. Лавринов1, Л.Н. Лавринова1

1 Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, Томск, Россия

 PDF, 1467 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-4-586-595

Страницы: 586-595.

Аннотация:
Рассматривается реконструкция волнового фронта, содержащего случайные фазовые искажения светового поля. Реконструкция выполняется методом Гартмана на основе аппроксимации волновой функции полиномами Цернике по оценкам локальных наклонов. Значения наклонов зависят от алгоритмов, посредством которых они определяются. Число наклонов пропорционально количеству фокальных пятен, зарегистрированных в плоскости приёмного устройства, которое варьируется не только из-за размерности растра, но и в зависимости от параметров турбулентности, особенностей конструкции приёмных устройств, а также в результате ограничения, обусловленного условием ортогональности полиномов Цернике. Приводятся результаты численных экспериментов, которые будут учтены при создании систем адаптивной оптики для коррекции сильных турбулентных искажений оптического излучения.

Ключевые слова:
адаптивная оптическая система, атмосферная турбулентность, фазовые флуктуации, линзовый растр

Цитирование:
Лавринов, В.В. Реконструкция волнового фронта, искажённого атмосферной турбулентностью, с использованием датчика Шэка–Гартмана / В.В. Лавринов, Л.Н. Лавринова // Компьютерная оптика. – 2019. – Т. 43, № 4. – С. 586-595. – DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-4-586-595.

Литература:
  1. Разгулин, А.В. Об одном вариационном методе восстановления волнового фронта по измерениям датчика Шака–Гартмана / Е.Ж. Кужамалиев, А.С. Гончаров, А.В. Ларичев // Оптика атмосферы и океана. – 2017. – Т. 30, № 1. – С. 104-108. – DOI: 10.15372/AOO20170114.
  2. Thomas, S. Comparison of centroid computation algorithms in a Shack–Hartmann sensor / S. Thomas, T. Fusco, A. Tokovinin, M. Nicolle, V. Michau, G. Rousset // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. – 2006. – Vol. 371, Issue 1. – P. 323-336. – DOI: 10.1111/j.1365-2966.2006.10661.x.
  3. Thomas, S. Optimized centroid computing in a Shack–Hartmann sensor / S. Thomas // Proceedings of SPIE. – 2004. – Vol. 5490. – P. 1232-1246.
  4. Vargas, J. Shack-Hartmann centroid detection using the spiral phase transform / R. Restrepo, J.C. Estrada, C.O.S. Sorzano, Y.-Z. Du, J.M. Carazo // Applied Optics. – 2012. – Vol. 51, Issue 30. – P. 7362-7367. – DOI: 10.1364/AO.51.007362.
  5. Kong, F. Centroid estimation for a Shack-Hartmann wavefront sensor based on stream processing/ F. Kong, M.C. Polo, A. Lambert // Applied Optics. – 2017. – Vol. 56, Issue 23. – P. 6466-6475. – DOI: 10.1364/AO.56.006466.
  6. Wang, Y. Gradient cross-correlation algorithm for scene-based Shack–Hartmann wavefront sensing / Y. Wang, X. Chen, Z. Cao, X. Zhang, C. Liu, Q. Mu // Optics Express. – 2018. – Vol. 26, Issue 13. – P. 17549-17562. – DOI: 10.1364/OE.26.017549.
  7. Li, Z. Centroid computation for Shack-Hartmann wavefront sensor in extreme situations based on artificial neural networks / Z. Li, X. Li// Optics Express. – 2018. – Vol. 2, Issue 24. – P. 31675-31692. – DOI: 10.1364/OE.26.031675.
  8. Shack, R.V. Production and Use of a Lenticular Hartmann Screen / R.V. Shack, B.C. Platt // Journal of the Optical Society of America. – 1971. – Vol. 61. – P. 656-660.
  9. Адаптивная оптика в приборах и устройствах / В.Г. Тараненко, О.И. Шанин. – М.: ЦНИИатоминформ, 2005. – 416 с. – ISBN: 5-87911-123-7.
  10. Cui, M. Terahertz wavefronts measured using the Hartmann sensor principle / M. Cui, J.N. Hovenier, Y. Ren, A. Polo, J.R. Gao // Optics Express. – 2012. – Vol. 20, Issue 13. – P. 14380-14391. – DOI: 10.1364/OE.20.014380.
  11. Richter, H. Terahertz wavefront measurement with a Hartmann sensor / H. Richter, M. Greiner-Byor, N. Desmann, J. Pfund, M. Wienold, L. Schrottke, R. Hey, H.T. Grahn, H.-W. Hyubers // Applied Physics Letters. – 2012. – Vol. 101. – 031103. – DOI: 10.1063/1.4737164.
  12. Токовинин, А. Лекции по адаптивной оптике / А. Токовинин; пер. с англ. [Электронный ресурс]. – 2005. – URL: http://www.ctio.noao.edu/~atokovin/tutorial/ (дата обращения 17.12.2018).
  13. Полещук, А.Г. Датчик Гартмана на основе многоэлементных амплитудных масок с аподизированными апертурами / А.Г. Полещук, А.Г. Седухин, В.И. Трунов, В.Г. Максимов // Компьютерная оптика. – 2014. – Т. 38, № 4. – С. 695-703.
  14. Лукин, В.П. Датчик Шэка–Гартмана на основе растра низкоапертурных внеосевых дифракционных линз / В.П. Лукин, Н.Н. Ботыгина, О.Н. Емалеев, В.П. Корольков, Л.Н. Лавринова, Р.К. Насыров, А.Г. Полещук, В.В. Черкашин // Автометрия. – 2009. – Т. 45, № 2. – С. 88-98.
  15. Антошкин, Л.В. Адаптивная оптическая система для солнечного телескопа, обеспечивающая его работоспособность в условиях сильной атмосферной турбулентности / Л.В. Антошкин, Н.Н. Ботыгина, Л.А. Больбасова, О.Н. Емалеев, П.А. Коняев, Е.А. Копылов, П.Г. Ковадло, Д.Ю. Колобов, А.В. Кудряшов, В.В. Лавринов, Л.Н. Лавринова, В.П. Лукин, С.А. Чупраков, А.А. Селин, А.Ю. Шиховцев // Оптика атмосферы и океана. –2016. – Т. 29, № 11. – С. 895-904. – DOI: 10.15372/AOO20161101.
  16. Шлёнов, С.А. Энергетические характеристики излучения CO2-лазера при фокусировке в турбулентной атмосфере в условиях ветровой рефракции / С.А. Шлёнов, В.В. Васильцов, В.П. Кандидов // Оптика атмосферы и океана. – 2016. – Т. 29, № 3. – С. 177-183. – DOI: 10.15372/AOO20160302.
  17. Адаптивное формирование пучков и изображений в атмосфере / В.П. Лукин, Б.В. Фортес. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999. – 211 с.
  18. Адаптивные оптические системы коррекции наклонов. Резонансная адаптивная оптика / О.И. Шанин. – М.: Техносфера, 2013. – 296 с.
  19. Рукосуев, А.Л. Адаптивная оптическая система для коррекции волнового фронта в реальном времени / А.Л. Рукосуев, А.В. Кудряшов, А.Н. Лылова, В.В. Самаркин, Ю.В. Шелдакова // Оптика атмосферы и океана. – 2015. – Т.28, № 2. – С. 189-195.
  20. Fried, D.L. Statistics of a geometric representation of wavefront distortion / D.L. Fried // Journal of the Optical Society of America. – 1965. – Vol. 55, Issue 11. – P. 1427-1435.
  21. Noll, R.J. Zernike polynomials and atmosphere turbulence / R.J. Noll // Journal of the Optical Society of America. – 1976. – Vol. 66, Issue 3. – P. 207-211.
  22. Роббинс, М. Регистрация одиночных фотонов с использованием ПЗС-матрицы с электронным умножением / М. Роббинс, Д. Соломицкий.– URL: http://www.npk-photonica.ru/images/single_photon_imaging_using_a_ccd_and_electron_multiplication_rus.pdf (дата обращения 17.12.2018).
  23. Артыщенко, С.В. Восстановление фазы волнового фронта с использованием комплексной нейронной сети / С.В. Артыщенко, П.А. Головинский, Р.А. Чернов // Оптика атмосферы и океана. – 2014. – Т. 27, № 10. – С. 932-936.
  24. Ботыгина, Н.Н. Развитие элементной базы для создания системы адаптивной оптики на солнечном телескопе / Н.Н. Ботыгина, О.Н. Емалеев, П.А. Коняев, Е.А. Копылов, В.П. Лукин // Оптика атмосферы и океана. – 2017. – Т. 30, № 11. – С. 990-997. – DOI: 10.15372/AOO20171113.
  25. Ягнятинский, Д.А. Алгоритм управления адаптивной оптической системой на основе минимизации радиуса фокального пятна / Д.А. Ягнятинский, Д.М. Ляхов, А.Н. Борщевников, В.Н. Федосеев // Оптика атмосферы и океана. – 2016. – Т. 29, № 11. – С. 949-953. – DOI: 10.15372/AOO20161108.
  26. Лавринов, В.В.Динамическое управление адаптивно-оптической коррекцией турбулентных искажений лазерного излучения / В.В. Лавринов // Оптика атмосферы и океана. – 2017. – Т. 30, № 10. – С. 893-901. – DOI: 10.15372/AOO20171013.
  27. Antoshkin, L.V. Advanced adaptive correction of turbulent distortions based on a Shack-Hartmann wavefront sensor measurements / L.V. Antoshkin, V.V. Lavrinov, L.N. Lavrinova // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. – 2012. – Vol. 48, Issue 2. – P. 188-196. – DOI: 10.3103/S8756699012020124.
  28. Antoshkin, L.V. Using photodetectors in Shack-Hartmann wavefront sensors / L.V. Antoshkin, V.V. Lavrinov, L.N. Lavrinova, V.P. Lukin // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. – 2012. – Vol. 48, Issue 2. – P. 146-152. – DOI: 10.3103/S8756699012020069.
  29. Lavrinov V.V. Wavefront reconstruction based on the results of light-field conversion by a Shack-Hartmann sensor / V.V. Lavrinov, L.N. Lavrinova, M.V. Tuev // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. – 2013. – Vol. 49, Issue 3. – P. 305-312. – DOI: 10.3103/S8756699013030138.
  30. Клебанов, Я.М. Компенсация аберраций волнового фронта в телескопах космических аппаратов с регулировкой температурного поля телескопа / Я.М. Клебанов, А.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.
  31. Reddy, A.N.K. Focusing of light beams by the phase apodization pupil / A.N.K. Reddy, M. Martinez-Corral, S.N. Khonina, S.V. Karpeev // Computer Optics. – 2018. – Vol. 42(4). – P. 620-626. – DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-4-620-626.
  32. Mahajan, V.N. Zernike annular polynomials for imaging systems with annular pupils / V.N. Mahajan // Journal of the Optical Society of America. – 1981. – Vol. 71. – P. 75-85.
  33. Tolstoba, N.D. Gram-Schmidt technique for aberration analysis in telescope mirror testing / N.D. Tolstoba // Proceedings of SPIE. – 1991. – Vol. 3785. – P. 140-151.

     

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20