(49-5) 05 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Многопорядковые комбинированные дифракционные оптические элементы для идентификации волновых аберраций различной величины
П.А. Хорин 1, А.П. Дзюба 1, С.Н. Хонина 1,2

1 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва,
443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, д. 34;
2 Институт систем обработки изображений, НИЦ «Курчатовский институт»,
443001, Россия, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 151

  PDF, 2271 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1692

Страницы: 741-748.

Аннотация:
В данной работе предложены и разработаны гибридные многопорядковые дифракционные оптические элементы, согласованные с набором волновых аберраций и полиномов Цернике. Наличие в одном дифракционном оптическом элементе сочетания двух разных типов согласованных функций позволяет использовать его для идентификации волновых аберраций различной величины в диапазоне от 0,05λ до 0,5λ. На основе численного моделирования показано, что многопорядковые дифракционные оптические элементы позволяют в одной плоскости формировать набор аберрационно-преобразованных картин. Введены критерии для идентификации сверхмалых аберраций (до 0,1λ) и аберраций большей величины (до 0,5λ). Разработан алгоритм автоматизированного выделения на картинах фокальной интенсивности областей целевого интереса. Проведён расчёт 49-канального оптического элемента, согласованного с волновыми аберрациями до 4-го порядка (в терминах функций Цернике) и функциями Цернике. На тестовых аберрированных волновых фронтах показана возможность использования предложенных оптических элементов для отличия аберраций разного диапазона, а также для определения их типа и веса.

Ключевые слова:
волновые аберрации, функции Цернике, многопорядковые ДОЭ, величина аберрации.

Благодарности
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-79-10101, https://rscf.ru/project/24-79-10101/ (в части численного моделирования), а также в рамках Государственного задания НИЦ «Курчатовский институт» (в теоретической части).

Цитирование:
Хорин, П.А. Многопорядковые комбинированные дифракционные оптические элементы для идентификации волновых аберраций различной величины / П.А. Хорин, А.П. Дзюба, С.Н. Хонина // Компьютерная оптика. – 2025. – Т. 49, № 5. – С. 741-748. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1692.

Citation:
Khorin PA, Dzyuba AP, Khonina SN. Multi-order combined diffractive optical elements for identification of different-magnitude wave aberrations. Computer Optics 2025; 49(5): 741-748. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1692.

References:
  1. Rodríguez AC, Booth MJ, Turcotte R. Editorial: Adaptive optics for in vivo brain imaging. Front Neurosci 2023; 17: 1188614. DOI: 10.3389/fnins.2023.1188614.
  2. Roddier F. Adaptive optics in astronomy. Cambridge: Cambridge University Press; 1999.
  3. Lukin VP. Adaptive optics in the formation of optical beams and images. Phys-Usp 2014; 57(6): 556. DOI: 10.3367/UFNe.0184.201406b.0599.
  4. Klebanov IM, Karsakov AV, Khonina SN, Davydov AN, Polyakov KA. Wavefront aberration compensation of space telescopes with telescope temperature field adjustment. Computer Optics 2017; 41(1): 30-36. DOI: 10.18287/0134-2452-2017-41-1-30-36.
  5. Rastorguev AA, Kharitonov SI, Kazanskiy NL. Modeling of arrangement tolerances for the optical elements in a space-borne Offner imaging hyperspectrometer. Computer Optics 2018; 42(3): 424-431. DOI: 10.18287/2412-6179-2018-42-3-424-431.
  6. Chen Z, Leng R, Yan C, Fang C, Wang Z. Analysis of telescope wavefront aberration and optical path stability in space gravitational wave detection. Appl Sci 2022; 12(24): 12697. DOI: 10.3390/app122412697.
  7. Yudaev AV, Shashkova IA, Kiselev AV, Komarova AA, Tavrov AV. Wavefront correction for the observation of an exoplanet against the background of the diffraction stellar vicinity. J Exp Theor Phys 2023; 136: 109-130. DOI: 10.1134/S1063776123020127.
  8. Booth MJ. Adaptive optical microscopy: the ongoing quest for a perfect image. Light Sci Appl 2014; 3: e165. DOI: 10.1038/lsa.2014.46.
  9. Ji N. Adaptive optical fluorescence microscopy. Nat Methods 2017; 14(4): 374-380. DOI: 10.1038/nmeth.4218.
  10. Thomas S. A simple turbulence simulator for adaptive optics. Proc SPIE 2004; 5490: 766-773. DOI: 10.1117/12.549858.
  11. Nevzorov AA, Stankevich DA. A method of wavefront distortion correction for an atmospheric optical link with a small volume of information transmitted through a service channel. Computer Optics 2020; 44(5): 848-851. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-733.
  12. Du M, Loetgering L, Eikema KSE, Witte S. Measuring laser beam quality, wavefronts, and lens aberrations using ptychography. Opt Express 2020; 28(4): 5022-5034. DOI: 10.1364/OE.385191.
  13. Artal P, Guirao A, Berrio E, Williams DR. Compensation of corneal aberrations by the internal optics in the human eye. J Vision 2001; 1: 1-8. DOI: 10.1167/1.1.1.
  14. Prieto PM, Fernandez EJ, Manzanera S, Artal P. Adaptive optics with a programmable phase modulator: applications in the human eye. Opt Express 2004; 12(17): 4059-4071. DOI: 10.1364/OPEX.12.004059.
  15. Khorin PA, Khonina SN, Karsakov AV, Branchevskiy SL. Analysis of corneal aberration of the human eye. Computer Optics 2016; 40(6): 810-817. DOI: 10.18287/0134-2452-2016-40-6-810-817.
  16. Martins AC, Vohnsen B. Measuring ocular aberrations sequentially using a digital micromirror device. Micromachines 2019; 10(2): 117. 10.3390/mi10020117.
  17. Baum OI, Omel'chenko AI, Kasianenko EM, Skidanov RV, Kazanskiy NL, Sobol EN, Bolshunov AV, Avetisov SE, Panchenko VYa. Control of laser-beam spatial distribution for correcting the shape and refraction of eye cornea. Quantum Electron 2020; 50(1): 87-93. DOI: 10.1070/QEL17216.
  18. Khorin PA, Khonina SN. Simulation of the human myopic eye cornea compensation based on the analysis of aberrrometric data. Vision 2023; 7(1): 21. DOI: 10.3390/vision7010021.
  19. Khonina SN, Ustinov AV, Pelevina EA. Analysis of wave aberration influence on reducing focal spot size in a high-aperture focusing system. J Opt 2011; 13(9): 095702. DOI: 10.1088/2040-8978/13/9/095702.
  20. Abramenko AA. Extrinsic calibration of stereo camera and three-dimensional laser scanner. Computer Optics 2019; 43(2): 220-230. DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-2-220-230.
  21. Hampson KM, Turcotte R, Miller DT, Kurokawa K, Males JR, Ji N, Booth MJ. Adaptive optics for high-resolution imaging. Nat Rev Methods Primers 2021; 1: 68. DOI: 10.1038/s43586-021-00066-7.
  22. Campbell H, Greenaway A. Wavefront sensing: From historical roots to the state-of-the-art. EAS Publ Ser 2006; 22: 165-185. DOI: 10.1051/eas:2006131.
  23. Ling T, Jiang J, Zhang R, Yang Y. Quadriwave lateral shearing interferometric microscopy with wideband sensitivity enhancement for quantitative phase imaging in real time. Sci Rep 2017; 7: 9. DOI: 10.1038/s41598-017-00053-7.
  24. Yang W, Wang J, Wang B. A method used to improve the dynamic range of Shack–Hartmann wavefront sensor in presence of large aberration. Sensors 2022; 22(19): 7120. DOI: 10.3390/s22197120.
  25. Mahajan VN. Zernike circle polynomials and optical aberration of system with circular pupils. Appl Opt 1994; 33(34): 8121-8124. DOI: 10.1364/AO.33.008121.
  26. Love GD. Wavefront correction and production of Zernike modes with a liquid crystal spatial light modulator. Appl Opt 1997; 36(7): 1517-1525. DOI: 10.1364/ao.36.001517.
  27. Khonina SN, Kotlyar VV, Soifer VA, Wang Y, Zhao D. Decomposition of a coherent light field using a phase Zernike filter. Proc SPIE 1998; 3573: 550-553. DOI: 10.1117/12.324588.
  28. Booth MJ. Direct measurement of Zernike aberration modes with a modal wavefront sensor. Proc SPIE 2003; 5162: 79-90. DOI: 10.1117/12.503695.
  29. Sheppard CJR. Zernike expansion of pupil filters: optimization of the signal concentration factor. J Opt Soc Am A 2015; 32(5): 928-933. DOI: 10.1364/JOSAA.32.000928.
  30. Porfirev AP, Khonina SN. Experimental investigation of multi-order diffractive optical elements matched with two types of Zernike functions. Proc SPIE 2016; 9807: 98070E. DOI: 10.1117/12.2231378.
  31. Khonina SN, Karpeev SV, Porfirev AP. Wavefront aberration sensor based on a multichannel diffractive optical element. Sensors 2020; 20(14): 3850. DOI: 10.3390/s20143850.
  32. Degtyarev SA, Porfirev AP, Khonina SN. Zernike basis-matched multi-order diffractive optical elements for wavefront weak aberrations analysis. Proc SPIE 2017; 10337: 103370Q. DOI: 10.1117/12.2269218.
  33. Khorin PA, Volotovskiy SG. Analysis of the threshold sensitivity of a wavefront aberration sensor based on a multi-channel diffraction optical element. Proc SPIE 2020; 11793: 117930B. DOI: 10.1117/12.2588188.
  34. Khorin PA, Porfirev AP, Khonina SN. Adaptive detection of wave aberrations based on the multichannel filter. Photonics 2022; 9(3): 204. DOI: 10.3390/photonics9030204.
  35. Khorin PA, Volotovskiy SG, Khonina SN. Optical detection of values of separate aberrations using a multi-channel filter matched with phase Zernike functions. Computer Optics 2021; 45(4): 525-533. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-906.
  36. Wang JY, Silva DE. Wave-front interpretation with Zernike polynomials. Appl Opt 1980; 19(9): 1510-1518. DOI: 10.1364/AO.19.001510.
  37. Mahajan VN. Zernike circle polynomials and optical aberration of system with circular pupils. Appl Opt 1994; 33(34): 8121-8124. DOI: 1364/AO.33.008121.
  38. Lakshminarayanan V, Fleck AZ. Zernike polynomials: a guide. J Mod Opt 2011; 58(7): 545-561. DOI: 10.1080/09500340.2011.554896.
  39. Skidanov RV, Moiseev OY, Ganchevskaya SV. Additive process for fabrication of phased optical diffraction elements. J Opt Technol 2016; 83(1): 23-25. DOI: 10.1364/JOT.83.000023.
  40. Khonina SN, Kazanskiy NL, Butt MA. Grayscale lithography and a brief introduction to other widely used lithographic methods: A state-of-the-art review. Micromachines 2024; 15(11): 1321. DOI: 10.3390/mi15111321
  41. Suchkov N, Fernández EJ, Martínez-Fuentes JL, Moreno I, Artal P. Simultaneous aberration and aperture control using a single spatial light modulator. Opt Express 2019; 27(9): 12399-12413. DOI: 10.1364/OE.27.012399.
  42. Khonina SN, Karpeev SV, Butt MA. Spatial-light-modulator-based multichannel data transmission by vortex beams of various orders. Sensors 2021; 21(9): 2988. DOI: 10.3390/s21092988.
  43. Kotlyar VV, Khonina SN, Melekhin AS, Soifer VA. Encoding diffractive optical elements using local phase jumps. Computer Optics 1999; 19: 54-64.
  44. Khonina SN, Kotlyar VV, Soifer VA. Techniques for encoding composite diffractive optical elements. Proc SPIE 2003; 5036: 493-498. DOI: 10.1117/12.498521.
  45. Volotovskiy SG, Khorin PA, Dzyuba AP, Khonina SN. Adaptive compensation of wavefront aberrations using the method of moments. Opt Mem Neural Netw 2024; 33(S2): S359-S375. DOI: 10.3103/s1060992x24700644.
  46. Volotovskiy SG, Khorin PA. Application of an optimization algorithm for recognizing wavefront aberrations from the PSF picture. 2020 International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon) 2020: 1-4. DOI: 10.1109/FarEastCon50210.2020.9271529.
  47. Khorin PA. Iterative algorithm for wavefront correction based on optical decomposition in wave aberrations. 2021 International Conference on Information Technology and Nanotechnology (ITNT) 2021: 1-6. DOI: 10.1109/ITNT52450.2021.9649209.

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