Разработка методов анализа и компенсации аберраций волнового фронта на основе многоканальной дифракционной оптики с применением машинного обучения

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-79-10101

НазваниеРазработка методов анализа и компенсации аберраций волнового фронта на основе многоканальной дифракционной оптики с применением машинного обучения

Руководитель Хорин Павел Алексеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева" , Самарская обл

Конкурс №98 - Конкурс 2024 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-605 - Комплексирование и обработка информации в технических системах

Ключевые слова аберрации волнового фронта, машинное обучение, нейронные сети, высокопроизводительные вычисления, дифракционная оптика, коррекция волнового фронта, пространственные модуляторы света, цифровое микрозеркальное устройство

Код ГРНТИ29.33.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Детектирование, идентификация и компенсация аберраций волнового фронта востребованы в различных приложениях, включая коррекцию зрения, улучшение изображающих систем мобильных устройств, оптических микроскопов и телескопов, оптических систем дистанционного зондирования Земли, передачи информации в свободном пространстве. Актуальность решения научной проблемы: решение обозначенной проблемы позволит улучшить качество изображений, получаемых с помощью большого количества разных методов, подходов и техник, которые востребованы в различных приложениях, включая коррекцию зрения, улучшение изображающих систем мобильных устройств, оптических микроскопов и телескопов, оптических систем дистанционного зондирования Земли, передачи информации в свободном пространстве. Новизна проекта заключается в применение нейронных сетей к многоканальной картине интенсивности для распознавания аберраций волнового фронта. Данный проект направлен на разработку методов прямого детектирования аберраций волнового фронта по совокупности ФРТ (Рис.1, Файл с дополнительной информацией 1), полученных в одной плоскости после прохождения многоканального дифракционного оптического элемента (Рис.2, Файл с дополнительной информацией 1), согласованного с фазовыми функциями Цернике, и методов машинного обучения (Рис.3, Файл с дополнительной информацией 1), ориентированных на анализ картин интенсивности. Принцип действия адаптационного подхода заключается в параллельном формировании частично компенсированного волнового фронта в каждом дифракционном порядке, а его реализация возможна благодаря динамической перестройки комплексной функции пропускания дифракционных оптических элементов (ДОЭ), который позволяет менять как набор анализируемых типов аберраций, так и варьировать их величину. В качестве верифицирующего этапа проекта планируется проведение экспериментальной апробации разработанной методики идентификации аберраций на тестовых аберрациях волнового фронта. При этом формирование аберрированного волнового фронта, а также реализация многоканального фильтра будут реализованы с использованием пространственного модулятора света (Рис.4а, Файл с дополнительной информацией 1) или цифрового микрозеркального устройства (Рис.4б, Файл с дополнительной информацией 1). При этом особое внимание будет уделено исследованию методов формирования адаптационных фазовых многоканальных ДОЭ с набором порядков, заданных как волновые аберрации с некоторой величиной и типом. Ранее коллективом предлагаемого проекта была продемонстрирована возможность пошаговой компенсации аберраций при использовании динамического транспаранта (Рис.5, Файл с дополнительной информацией 1). Результаты данного проекта заложат основу для реализации масштабного производства многоканальных датчиков волнового фронта, которые в будущем могут стать элементами более сложных устройств для контроля качества формы оптических элементов и для коррекции аберраций волнового фронта в системах оптической коммуникации, в промышленной лазерной технике и офтальмологии. На основе разрабатываемой технологии могут быть разработаны высокоэффективные датчики волнового фронта для приложений дистанционного оптического контроля, профилометрии и адаптивной оптики. Данные датчики могут быть построены на основе многоканального ДОЭ или пространственного модулятора света или цифрового микрозеркального устройства и набора фотодетекторов. В рамках выполнения проекта предлагается новый метод анализа и компенсации аберраций волнового фронта с использованием многоканальной дифракционной оптики и интеллектуального анализа данных, соответствующий передовым разработкам в данной области исследований, а разрабатываемая технология не имеет аналогов в мире.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Предложены и рассчитаны адаптационные фазовые многоканальные ДОЭ с 25 порядками, согласованных с волновыми аберрациями до 4-го порядка в терминах функций Цернике с величиной в диапазоне от 0,1 до 1 длины волны. Предложены и разработаны гибридные многопорядковые дифракционные оптические элементы с 49 порядками, согласованные как с набором функций Цернике, так и с набором волновых аберраций до 4-го порядка (с величиной в диапазоне от -0,5 до 0,5 длины волны). Наличие в одном ДОЭ сочетания двух разных типов согласованных функций позволяет использовать его для идентификации волновых аберраций различной величины в диапазоне от 0,05λ до 0,5λ. Численное моделирование показало корректное детектирование волновых аберраций с величиной до длины волны. 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 на основе критериев максимального значения интенсивности, минимального значения среднего и максимального количества пикселов, имеющих величину выше некоторого заданного порога. 2. Разработаны поэтапные алгоритмы распознавания суперпозиций функции Цернике по картинам ФРТ, основанные на сочетании алгоритма Левенберга-Марквардта с методом центральных моментов, а также с применением частичных сумм. В качестве функционала предложено использование второго центрального момента интенсивности фокального изображения, использование которого позволяет определить тип и вес каждой волновой аберрации из суперпозиции. Показано, что использование матриц частичных сумм позволяет увеличить область сходимости при оптимизации функционала. Представлены однозначные результаты распознавания для суперпозиции 4-х аберраций (ошибка не превышает 1% независимо от начального приближения). Показано, что распознавание суперпозиции волновых аберраций по фокальной картине на основе частичных сумм в сочетании с алгоритмом Левенберга-Марквард позволяет определить весовые коэффициенты в исследуемой суперпозиции аберрации. 3. Выполнен оптимизированный расчёт адаптационных фазовых многоканальных ДОЭ с 25 и 49 порядками с применением неитерационных алгоритмов для формирования заданного многоканального распределения с применением метода композиций для повышения дифракционной эффективности до 60% Определены оптимальные параметры для метода частичного кодирования применительно к многоканальным элементам, согласованным с заданными типами аберраций различной величины. Получено, что ошибка в 17% достигается при показателях дифракционной эффективности в окрестности 50%, что полностью соответствует оптимальному соотношению. Наименьшая ошибка в 15% достигается при показателях дифракционной эффективности в окрестности 52%. Максимальная дифракционная эффективность в 85% достигается на основе разработанного алгоритма при значениях ошибки равной 31%. 4. Сформирована база знаний взаимосвязи влияния аберраций до 4-го порядка в терминах функций Цернике и их комбинаций на многоканальные картины интенсивности с 49 дифракционными порядками в численном эксперименте на оптической схеме Фурье-Коррелятора. Получено распределение интенсивности в результирующей плоскости фильтра, разработанного ДОЭ для суперпозиции из 2-х аберраций. Аберрации выбраны первые 8 типов положительных (до 4-го порядка в терминах функций Цернике) аберраций, вес волновой аберрации выбран в диапазоне от 0 до 0,4λ. Рассчитан датасет в размере 4096 изображений в виде многоканальных картины интенсивности размером 256×256 пикселей для обучения и тестирования свёрточной нейронной сети. 5. Выполнена верификация численных результатов для адаптационных фазовых многоканальных ДОЭ, согласованных с волновыми аберрациями и функциями Цернике. Для формирования аберрационных полей использовалось цифровое микрозеркальное устройство, на которое последовательно выводилась фаза волнового фронта заданная, как одна волновая аберрация и как суперпозиция двух волновых аберраций. Для формирования паттерна ДОЭ использовался пространственный модулятор света, на который выводилась комплексна функция пропускания адаптационных фазовых многоканальных ДОЭ. В ряде натурных экспериментов на видеокамере получено распределение комбинированных картин интенсивности, сформированное пространственный модулятор света при его освещении различными аберрированным волновыми фронтами. 6. Выполнен теоретический анализ выделения контуров объекта и управления их шириной в схеме Фурье-Коррелятора с использованием многоканального пространственного фильтра, согласованного с функциями Цернике. Многоканальный фильтр позволяет одновременно в одной плоскости сформировать несколько преобразованных изображений (с выделенными контурами разной ширины) одного исследуемого объекта. Получено, что полиномы Цернике при фиксированном чётном радиальном индексе c увеличением углового индекса – увеличивается ширина контура объекта, причём за счёт радиальной составляющей происходит некоторая дефокусировка, что приводит к слиянию контуров. 7. Разработаны криволинейные дифракционные решётки для детектирования, идентификации и компенсации волновых аберраций в широком диапазоне. Комплексная функция пропускания представляет собой интерференцию волновых фронтов аберраций (смещение, дефокусировка, астигматизм 1-го и 2-го порядка, кома, трилистник, сферическая, четырёхлистник) с величиной в диапазоне 0,1 до 1 длины волны, записанных под различными углами к главной оптической оси, с добавлением оптической силы в виде дополнительного сферического волнового фронта. Предложенный подход исключает дополнительные искажения по типу несоосности элементов (ДОЭ и линзы), не требует юстировки, что позволяет более точно определить тип аберрации именно анализируемого вол0нового фронта. 8. Предложено использование фазовой аподизации в виде фазовой кольцевой решетки для повышения детализации функции рассеяния точки (ФРТ) с целью увеличения эффективность применения нейронных оптических сетей в задаче распознавания аберраций волнового фронта. Выбор кольцевой решетки связан с формированием конического волнового фронта в параксиальной области и кольцевой интенсивности в фокальной плоскости, что приводит к большей визуальной площади при возникновении каких-либо аберраций в оптической системе или волновом фронте.

Публикации

1. Хорин П.А, Дзюба А.П., Хонина С.Н. Calculation and simulation of a multichannel DOE with increased diffraction efficiency Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского , The XXVIII Saratov fall meeting 2024 (SFM-2024), 23 сентября – 27 сентября 2024 года, Саратов. (год публикации - 2024)

2. Хорин П.А., Ивлиев Н.А., Хонина С.Н. Оптические пространственные фильтры для управления шириной выделенных контуров объекта Оптический журнал (Journal of Optical Technology), Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 5. С. 3–11. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-05-3-11 (год публикации - 2025)
10.17586/1023-5086-2025-92-05-3-11

3. Хорин П.А, Дзюба А.П., Хонина С.Н. Two-dimensional Curved Diffraction Lens-grating CDLG to Compensate for a Set of Wavefront Aberrations Progress in Electromagnetic Research Symposium (PIERS), IEEE Xplore 2025 Photonics & Electromagnetics Research Symposium (PIERS) (год публикации - 2025)

4. Сергунин С.К., Хорин П.А. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОТКЛОНЕНИЙ В ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ НА ДИФРАКЦИЮ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ МИКРОАКСИКОНА Издательство Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики (ПГУТИ), Материалы XXII Международной научно-технической конференции «Оптические технологии в телекоммуникациях» ОТТ-2024 (г. Самара, 06 – 08 ноября 2024 г.). – Самара: ПГУТИ, 2024, с. 178-179 (год публикации - 2024)

5. Серафимович Д.П., Хорин П.А., Хонина С.Н. ВЛИЯНИЕ ВОЛНОВЫХ АБЕРРАЦИЙ НА КАРТИНУ ДИФРАКЦИИ БИНАРНОГО АКСИКОНА Издательство Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики (ПГУТИ), Материалы XXII Международной научно-технической конференции «Оптические технологии в телекоммуникациях» ОТТ-2024 (г. Самара, 06 – 08 ноября 2024 г.). – Самара: ПГУТИ, 2024, с. 94-95 (год публикации - 2024)

6. Хорин П.А, Дзюба А.П., Хонина С.Н. Two-dimensional Curved Diffraction Lens-grating CDLG to Compensate for a Set of Wavefront Aberrations 2025 PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium Abstracts, Abu Dhabi, UAE, 4-8 May, 2025 PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium Abstracts, Abu Dhabi, UAE, 4-8 May (год публикации - 2025)

7. Волотовский С.Г., Дзюба А.П., Хорин П.А., Хонина С.Н. СУПЕРПОЗИЦИИ ФУНКЦИЙ ЦЕРНИКЕ С ОСОБЕННЫМИ СВОЙСТВАМИ Издательство Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики (ПГУТИ) , Материалы XXII Международной научно-технической конференции «Оптические технологии в телекоммуникациях» ОТТ-2024 (г. Самара, 06 – 08 ноября 2024 г.). – Самара: ПГУТИ, 2024., с. 78-79 (год публикации - 2024)

8. Хорин П.А., Серафимович Д.П Increasing the detail of the point spread function due to apodization with a phase ring grating to improve the efficiency of detecting wavefront aberrations 2025 PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium Abstracts, Abu Dhabi, UAE, 4-8 May, 2025 PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium Abstracts, Abu Dhabi, UAE, 4-8 May (год публикации - 2025)

9. Хорин П.А., Ивлиев Н.А., Серафимович П.Г. Simulation of the wavefront aberrations influence on the beams formation with a nonlinear vortex phase singularity 2025 PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium Abstracts, Abu Dhabi, UAE, 4-8 May, 2025 PhotonIcs & Electromagnetics Research Symposium Abstracts, Abu Dhabi, UAE, 4-8 May (год публикации - 2025)

10. Хорин П.А, Дзюба А.П., Хонина С.Н. Расчет и моделирование многоканального ДОЭ для анализа аберраций с повышенной дифракционной эффективностью Журнал технической физики (Technical Physics), Журнал технической физики, 2025, Т. 95. № 5. С. 983. DOI: 10.61011/JTF.2025.05.60290.454-24 (год публикации - 2025)
10.61011/JTF.2025.05.60290.454-24

11. Хорин П.А, Дзюба А.П., Хонина С.Н. Многопорядковые комбинированные дифракционные оптические элементы для идентификации волновых аберраций различной величины Компьютерная оптика, Компьютерная оптика. 2025. Т. 49. № 5. DOI: 10.18287/2412-6179-CO-1692 (принято в печать, DOI уже известен, но пока неактивен) (год публикации - 2025)
10.18287/2412-6179-CO-1692