Разработка позволяет точно измерять аберрации (искажения) волнового фронта в широком диапазоне их величин и открывает новые перспективы для коррекции аберраций оптических систем, используемых в астрономии, микроскопии, офтальмологии и других областях. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале «Компьютерная оптика».
Волновые аберрации — это искажения волнового фронта светового пучка, которые возникают при его прохождении через турбулентную атмосферу (в такой атмосфере возникают «вихри» газа), дефектные оптические элементы, а также оптические системы, такие как телескопы, микроскопы или даже человеческий глаз. Эти искажения ухудшают качество изображения, что особенно критично в астрономии, где необходима высокая детализация изображений далеких объектов.
Для измерения аберраций чаще всего используют метод интерферометрии. В рамках него искажения оценивают по узору из световых полос, которые образовали лучи, прошедшие через исследуемый и эталонный образцы. Такой подход имеет ограничения: например, он неприменим для очень сильных (30% длины волны и более) искажений, а также для систем без виброизоляции. Кроме того, этот и другие используемые на практике методы требуют сложного оборудования и длительной обработки данных.
Исследователи из Самарского национального исследовательского университета имени академика С. П. Королева и Института систем обработки изображений Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» (Самара) разработали инновационный гибридный дифракционный оптический элемент. Это линза, которая сочетает в себе две технологии: обычную (преломляющую) оптику, как в очках или объективах камер, и дифракционную оптику, которая работает за счет микроскопического рельефа, расщепляющего и перенаправляющего свет. Такое устройство можно применять для определения искажений световой волны в рекордно широком диапазоне — от 5% до 50% длины волны.
Дифракционный оптический элемент преобразует искаженный волновой фронт в наглядную картину, по которой можно определить тип и степень аберраций. Когда искаженный свет проходит через такой элемент, на выходе формируется характерная картина из световых пятен. Анализируя особенности этой картины, можно точно определить оптические искажения.
Исполнители проекта — Алексей Дзюба, Дмитрий Савельев. Источник: Павел Хорин
При слабых искажениях (меньше 10% длины волны) главным признаком становится появление нежелательного засвета (как блик на фотоснимке) в центре узора из световых пятен. Если же аберрации более выражены (от 10% до 50% длины волны), основную информацию несут смещения и изменения формы этих световых пятен. Таким образом, дифракционный оптический элемент выступает своеобразным «переводчиком»: он преобразует скрытые оптические искажения в понятные визуальные сигналы, которые затем можно измерить и скорректировать.
Важно отметить, что такой оптический элемент можно изготовить на базе существующих технологий. За основу можно взять, например, кварцевые подложки для синтеза многоуровневых дифракционных структур — микроскопических «ступенек». Кроме того, для упрощения обработки данных ученые разработали алгоритм, который позволяет быстро и точно определять тип и величину аберраций даже в условиях сложных искажений или шумов.
Все это открывает путь к быстрому внедрению разработки в реальные оптические системы. Например, дифракционный оптический элемент может использоваться при коррекции искажений в телескопах для получения четких изображений далеких объектов, для улучшения качества изображений в высокоточных микроскопах, а также в офтальмологии для точной диагностики и коррекции аберраций роговицы глаза.
«Новый гибридный оптический элемент может измерять и корректировать широкий диапазон искажений волнового фронта, при этом он прост в использовании. Такие дифракционные линзы могут стать важной частью современной оптики и позволят получать качественные изображения как далеких космических объектов, так и микроскопических образцов. В дальнейшем мы планируем применить передовые технологии искусственного интеллекта для определения типа и величины аберраций по характерной картине интенсивности света, а также изготовить данный оптический элемент для дальнейшего его внедрения»,— рассказал руководитель проекта Павел Хорин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории автоматизированных систем научных исследований Самарского национального исследовательского университета имени академика С. П. Королева.
Если вы хотите стать героем публикации и рассказать о своем исследовании, заполните форму на сайте РНФ.
