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

Лавринов В.В., Лавринова Л.Н.

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

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. –