(44-6) 09 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Распознавание типов аберраций волнового фронта, соответствующих отдельным функциям Цернике, по картине функции рассеяния точки в фокальной плоскости с применением нейронных сетей
И.А. Родин 1, С.Н. Хонина 1,2, П.Г. Серафимович 2, С.Б. Попов 1,2

1 ИСОИ РАН – филиал ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН,
443001, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 151,

2 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва,
443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, д. 34

 PDF, 1363 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-810

Страницы: 923-930.

Аннотация:
В работе осуществлено обучение и распознавание типов аберраций, соответствующих отдельным функциям Цернике, по картине интенсивности функции рассеяния точки с применением свёрточных нейронных сетей. Картины интенсивности функции рассеяния точки в фокальной плоскости моделировались с применением алгоритма быстрого преобразования Фурье. При обучении нейронной сети коэффициент обучения и количество эпох для датасета заданного размера был подобран эмпирически. Средние ошибки предсказания нейронной сети для каждого типа аберраций были получены для набора из 15 функций Цернике по датасету из 15 тысяч картин функции рассеяния точки. В результате обучения для большинства типов аберраций получены усреднённые абсолютные погрешности в диапазоне 0,012 – 0,015, однако определение коэффициента (величины) аберрации требует дополнительных исследований и данных, например, расчёта функции рассеяния точки во внефокальной плоскости.

Ключевые слова:
аберрации волнового фронта, функция рассеяния точки, фокальная плоскость, быстрое преобразование Фурье, нейронные сети.

Благодарности
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-29-09054 в части, касающейся машинного обучения и нейронных сетей, а также Министерства науки и высшего образования РФ в рамках выполнения работ по Государственному заданию ФНИЦ «Кристаллография и фотоника» РАН (соглашение № 007-ГЗ/Ч3363/26) в части моделирования аберрированного волнового фронта и расчёта ФРТ.

Цитирование:
Родин, И.А. Распознавание типов аберраций волнового фронта, соответствующих отдельным функциям Цернике, 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-CO-810.

Citation:
Rodin IA, Khonina SN, Serafimovich PG, Popov SB. Recognition of wavefront aberrations types corresponding to single Zernike functions from the pattern of the point spread function in the focal plane using neural networks. Computer Optics 2020; 44(6): 923-930. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-810.

Литература:
  1. Welford, W.T. Aberrations of optical systems / W.T. Welford. – Bristol, Philadelphia: Adam Hilger Press, 1986. – 284 p. – ISBN: 978-0-85274-564-9.
  2. Charman, W.N. Wavefront aberrations of the eye: A review / W.N. Charman // Optometry and Vision Science. – 1991. – Vol. 68, Issue 8. – P. 574-583. – DOI: 10.1097/00006324-199108000-00002.
  3. Beckers, J.M. Adaptive optics for astronomy: principles, performance, and applications / J.M. Beckers // Annual Review of Astronomy and Astrophysics. – 1993. – Vol. 31, Issue 1. – P. 13-62. – DOI: 10.1146/annurev.aa.31.090193.000305.
  4. Hardy, J.W. Adaptive optics for astronomical telescopes / J.W. Hardy. – Oxford: Oxford University Press, 1998. – 438 p. – ISBN: 978-0-19-509019-2.
  5. Booth, M.J. Adaptive optics in microscopy / M.J. Booth // Philosophical Transactions of the Royal Society A. – 2007. – Vol. 365, Issue 1861. – P. 2829-2843. – DOI: 10.1098/rsta.2007.0013.
  6. Atchison, D.A. Wavefront aberrations and their clinical application / D.A. Atchison // Clinical and Experimental Optometry. – 2009. – Vol. 92, Issue 3. – P. 171-172. – DOI: DOI: 10.1111/j.1444-0938.2009.00380.x.
  7. 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, Issue 2. – P. 313-320. – DOI: 10.1016/j.jcrs.2009.09.026.
  8. Хорин, П.А. Анализ аберраций роговицы человеческого глаза / П.А. Хорин, С.Н. Хонина, А.В. Карсаков, С.Л. Бранчевский // Компьютерная оптика. – 2016. – Т. 40, № 6. – С. 810-817. – DOI: 10.18287/0134-2452-2016-40-6-810-817
  9. 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.
  10. Buscher, D.F. Practical optical interferometry / D.F. Buscher. – Cambridge: Cambridge University Press, 2015. – ISBN: 978-1-107-04217-9.
  11. Optical shop testing / ed. by D. Malacara. – Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc., 2007. – 888 p. – ISBN: 978-0-471-48404-2.
  12. Васильев, Л.А. Теневые методы / Л.А. Васильев. – М.: Наука, 1968. – 400 с.
  13. Hartmann, J. Bemerkungen über den bau und die justierung von spektrographen / J. Hartmann. – Zeitschrift für Instrumentenkunde. – 1900. – Volumen 20. – Seiten 17-27, 47-58.
  14. Artzner, G. Microlens arrays for Shack-Hartmann wavefront sensors / G. Artzner // Optical Engineering. – 1992. – Vol. 31, Issue 6. – P. 1311-1322. – DOI: 10.1117/12.56178.
  15. Platt, B.C. History and principles of Shack-Hartmann wavefront sensing / B.C. Platt, R. Shack // Journal of Refractive Surgery. – 2001. – Vol. 17, Issue 5. – P. S573-S577. – DOI: 10.3928/1081-597X-20010901-13.
  16. Hongbin, Y. Tunable Shack–Hartmann wavefront sensor based on a liquid-filled microlens array / Y. Hongbin, Z. Guangya, C.F. Siong, L. Feiwen, W.A. Shouhua. Journal of Micromechanics and Microengineering. – 2008. – Vol. 18, Issue 10. – 105017. – DOI: 10.1088/0960-1317/18/10/105017.
  17. Zernike, F. How I discovered phase contrast / F. Zernike // Science. – 1955. – Vol. 121, Issue 3141. – P. 345-349. – DOI: 10.1126/science.121.3141.345.
  18. Vorontsov, M.A. Advanced phase-contrast techniques for wavefront sensing and adaptive optics / M.A. Vorontsov, E.W. Justh, L.A. Beresnev // Proceedings of SPIE. – 2000. – Vol. 4124. – P. 98-109. – DOI: 10.1117/12.407492.
  19. Daria, V.R. Phase-only optical decryption in a planar-integrated micro optics system / V.R. Daria, P.J. Rodrigo, S. Sinzinger, J. Glückstad // Optical Engineering. – 2004. – Vol. 43, Issue 10. – P. 2223-2227. – DOI: 10.1117/1.1782613.
  20. Sendhil, K. Spatial phase filtering with a porphyrin derivative as phase filter in an optical image processor / K. Sendhil, C. Vijayan, M.P. Kothiyal // Optics Communications. – 2005. – Vol. 251, Issues 4-6. – P. 292-298. – DOI: 10.1016/j.optcom.2005.03.014.
  21. Komorowska, K. Self-induced nonlinear Zernike filter realized with optically addressed liquid crystal spatial light modulator / K. Komorowska, A. Miniewicz, J. Parka, F. Kajzar // Journal of Applied Physics. – 2002. – Vol. 92, Issue 10. – P. 5635-5641. – DOI: 10.1063/1.1515949.
  22. Born, M. Principles of optics: Electromagnetic theory of propagation, interference and diffraction of light / M. Born, E. Wolf. – 7th ed. – Cambridge: Cambridge University Press, 1999. – ISBN: 978-0-521-64222-4.
  23. Roddier, N. Atmospheric wavefront simulation using Zernike polynomials / N. Roddier // Optical Engineering. – 1990. – Vol. 29, Issue 10. – P. 1174-1180. – DOI: 10.1117/12.55712.
  24. 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, Issue 6. – P. 1098-1107. – DOI: 10.1364/JOSAA.17.001098.
  25. Thibos, L.N. Standards for reporting the optical aberrations of eyes / L.N. Thibos, R.A. Applegate, J.T. Schwiegerling, R. Webb // Journal of Refractive Surgery. – 2002. – Vol. 18, Issue 5. – P. 652-660.
  26. ANSI Z80.28. Methods for reporting optical aberrations of eyes. – American National Standards Institute, Inc., American National Standards for Ophthalmics, 2004.
  27. Martins, A.C. Measuring ocular aberrations sequentially using a digital micromirror device / A.C. Martins, B. Vohnsen // Micromachines. – 2019. – Vol. 10, Issue 2. – 117. – DOI: 10.3390/mi10020117.
  28. 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.
  29. 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. – DOI: 10.1364/JOSAA.32.000928.
  30. Porfirev, A.P. Experimental investigation of multi-order diffractive 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.
  31. 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.
  32. 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(2). – P. 146-153. – DOI: 10.18287/jbpe-2015-1-2-146.
  33. 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.
  34. 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. – DOI: 10.1364/OL.3.000027.
    .

© 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