RU2746169C1 - Method for measuring the wave front modes of light wave by holographic wave front mode sensor and device for implementing the method - Google Patents
Method for measuring the wave front modes of light wave by holographic wave front mode sensor and device for implementing the method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2746169C1 RU2746169C1 RU2020129140A RU2020129140A RU2746169C1 RU 2746169 C1 RU2746169 C1 RU 2746169C1 RU 2020129140 A RU2020129140 A RU 2020129140A RU 2020129140 A RU2020129140 A RU 2020129140A RU 2746169 C1 RU2746169 C1 RU 2746169C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- wavefront
- diameter
- mode
- measured
- modes
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 230000004075 alteration Effects 0.000 claims abstract description 32
- 238000012804 iterative process Methods 0.000 claims abstract description 24
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 8
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 8
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 21
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 3
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Holo Graphy (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к оптическому приборостроению, а именно к способам измерения формы волнового фронта световой волны и к датчикам волнового фронта световой волны. Известен ряд способов измерения волнового фронта и датчиков волнового фронта. В датчике Шака-Гартмана измеряется наклон отдельных участков волнового фронта к оптической оси датчика [1]. По измеренным наклонам рассчитывается форма волнового фронта. В датчике кривизны форма волнового фронта рассчитывается исходя из распределений интенсивности световой волны, падающей на объектив, измеренных по обе стороны от фокальной плоскости объектива [2] или с одной стороны от фокальной плоскости [3]. В астрономии используются пирамидальный датчик волнового фронта, у которого изображение звезды падает на вершину четырехгранной пирамиды, при этом возникают 4 изображения выходного зрачка телескопа. По распределениям интенсивностей этих изображений находится форма волнового фронта [4,5]. В данных датчиках распределение интенсивности света измеряется CCD или CMOS матрицами, сигналы от миллионов светочувствительных пикселей которых должны пройти сложный процесс обработки, чтобы получить картину волнового фронта. Необходимость сложной обработки большого числа сигналов снижает скорость измерения волнового фронта и делает необходимым использование дорогих компьютеров и дорогого программного обеспечения, когда измерения волнового фронта необходимо выполнять с высокой скоростью. Так, в датчиках волнового фронта астрономических телескопов, измеряющих искажений волнового фронта вызванных турбулентностью атмосферы, для обработки сигналов датчиков используются мейнфрейм серверы.The invention relates to optical instrumentation, and in particular to methods for measuring the shape of the wavefront of a light wave and to sensors of the wavefront of a light wave. A number of methods for measuring wavefront and wavefront sensors are known. The Shack-Hartmann sensor measures the inclination of individual sections of the wavefront to the optical axis of the sensor [1]. The measured slopes are used to calculate the shape of the wavefront. In a curvature sensor, the wavefront shape is calculated based on the intensity distributions of the light wave incident on the lens, measured on both sides of the lens focal plane [2] or on one side of the focal plane [3]. In astronomy, a pyramidal wavefront sensor is used, in which the image of a star falls on the top of a tetrahedral pyramid, and 4 images of the exit pupil of the telescope appear. The wavefront shape is found from the intensity distributions of these images [4, 5]. In these sensors, the distribution of light intensity is measured by CCD or CMOS matrices, the signals from millions of light-sensitive pixels of which must undergo a complex processing process in order to obtain a picture of the wavefront. The need for complex processing of a large number of signals reduces the speed of wavefront measurement and necessitates the use of expensive computers and expensive software when wavefront measurements need to be performed at high speed. For example, in astronomical telescope wavefront sensors that measure wavefront distortions caused by atmospheric turbulence, mainframe servers are used to process sensor signals.
Этот недостаток отсутствует у голографических модовых датчиков волнового фронта, измеряющих амплитуды мод волнового фронта световой волны [6,7,8,9]. Волновой фронт находится как суперпозиция измеренных мод. Число сигналов голографического модового датчика в два раза превышает число измеряемых мод и исчисляется десятками. Небольшое число сигналов, простой процесс их обработки и возможность измерения сигналов фотодиодами обеспечивают высокую скорость измерения волнового фронта.This disadvantage is absent in holographic mode wavefront sensors that measure the amplitudes of the wavefront modes of a light wave [6,7,8,9]. The wavefront is found as a superposition of the measured modes. The number of signals from the holographic mode sensor is twice the number of measured modes and amounts to tens. A small number of signals, a simple process for their processing and the ability to measure signals with photodiodes provide a high speed of wavefront measurement.
Один из недостатков голографических модовых датчиков состоит в малой интенсивности сигнальных волн восстановленных голограммами датчика, в силу того, что в датчиках используются наложенные голограммы, то есть голограммы записанных на одном участке регистрирующей среды, чья дифракционная эффективность мала [10]. Другой недостаток состоит в погрешности измерения интенсивности сигналов из-за смещения в пространстве измеряемого распределения интенсивности в зависимости от характера искажений измеряемого волнового фронта [11].One of the disadvantages of holographic mode sensors is the low intensity of signal waves reconstructed by the sensor holograms, due to the fact that the sensors use superimposed holograms, that is, holograms recorded in one area of the recording medium, whose diffraction efficiency is low [10]. Another disadvantage is the measurement error of the signal intensity due to the spatial displacement of the measured intensity distribution, depending on the nature of the distortion of the measured wavefront [11].
Указанные недостатки отсутствует, у голографического модового датчика основанного на фурье-голограммах рассеянных мод Цернике волнового фронта, в котором вместо наложенных голограмм используются голограммы, записанные на разных участках регистрирующей среды [12,13]. По технической сущности этот датчик наиболее близок к предложенному датчику и служит его прототипом. Схема записи голограмм данного датчика представлена на Фиг.1, где 1 объектив, в передней фокальной плоскости которого находится рассеиватель 3, рассеивающий волну 5, падающую на рассеиватель 3. За рассеивателем установлен поляризатор 4, поляризующий излучение в направлении перпендикулярном к плоскости содержащей опорные и объектные волны голограмм. В задней фокальной плоскости объектива 1 возникает диффузный пучок света, служащий опорной волной при записи голограмм на регистрирующей среде 2. Для измерения одной моды Цернике записывается две голограммы. Одна голограмма записывается с опорной волной возникающей, когда на рассеиватель падает волна 5 с положительной амплитудой моды Цернике, другая голограмма при отрицательной амплитуде моды Цернике. Для измерения большего числа мод записывается столько пар голограмм, сколько мод Цернике датчик должен измерять.The indicated disadvantages are absent in a holographic mode sensor based on the Fourier holograms of scattered Zernike modes of the wavefront, in which holograms recorded in different parts of the recording medium are used instead of superimposed holograms [12,13]. In technical essence, this sensor is the closest to the proposed sensor and serves as its prototype. The scheme for recording holograms of this sensor is shown in Fig. 1, where 1 lens, in the front focal plane of which there is a
Объектными волнами голограмм служат две плоские волны 6 и 7, падающие на регистрирующую среду под разными углами. Одна плоская волна используется для записи голограмм записанных с положительной амплитудой моды опорной волны, другая волна для записи голограмм записанных с отрицательной амплитуды моды. При записи голограмм используется подвижная диафрагма 8, выделяющая участки регистрирующей среды 2 на которых записываются голограммы. Взаимное расположение 61-ой голограммы в виде гексагональной решетки представлено на Фиг.2(а). Голограммы записанные с объектной волной 6 представлены на Фиг.2 (б), голограммы записанные с объектной волной 7 на Фиг.2 (в). Использование при записи голограмм двух объектных волн обеспечивает образование между восстановленными волнами промежутков достаточных для размещения фотодиодов, измеряющих интенсивность восстановленных волн.The object waves of the holograms are two
При измерении датчиком волнового фронта, измеряемая волна 9 (Фиг.3) падает на рассеиватель 3. Рассеянная волна, вышедшая из объектива 1, освещает голограммы 10, ограниченные диафрагмой 11. Если волновой фронт волны 9 описывается модой Цернике использованной при записи некоторой пары голограмм 10, то голограммы этой пары восстанавливают две объектные волны, интенсивности которых зависят от степени близости амплитуды моды измеряемой волны к амплитудам моды использованной при записи голограмм. Максимальная интенсивность волны восстановленной любой из голограмм данной пары голограмм достигается, когда амплитуда моды измеряемой волны равна амплитуде моды волны использованной при записи данной голограммы. При этом интенсивность волны восстановленной другой голограммой данной пары голограмм минимальна. По разности интенсивностей двух восстановленных волн определяется амплитуда измеряемой моды. Интенсивности восстановленных волн измеряются решетками фотодиодов 12 и 13, установленными за решетками микродиафрагм 14 и 15, расположенных в фокальных плоскостях решеток микрообъективов 16 и 17. В каждый микрообъектив поступает волна восстановленная одной из голограмм. На Фиг.3 представлен случай, когда измеряются интенсивности восьми волн, восстановленных восемью голограммами.When measuring the wavefront by the sensor, the measured wave 9 (Fig. 3) falls on the
Недостаток данного датчика волнового фронта, как и всех других голографических модовых датчиков волнового фронта, состоит в интермодовых помехах, возникающих, когда измеряемая волна содержит более одной моды волнового фронта [11]. Каждая мода измеряемого волнового фронта создает помехи для волн восстановленных другими модами волнового фронта. В силу интермодовых помех известные голографические модовые датчики способны измерять волновые фронты, содержащие лишь несколько мод маленькой амплитуды. Для уменьшения интермодовых помех были предложены гибридные датчики волнового фронта, совмещающие модовый датчик с датчиком Шака-Гартмана [14] или модовый датчик с датчиком кривизны [15]. Данные датчики имеют недостаток в виде необходимости сложной обработки большого числа сигналов светочувствительной матрицы.The disadvantage of this wavefront sensor, like all other holographic mode wavefront sensors, is intermode interference that occurs when the measured wave contains more than one wavefront mode [11]. Each mode of the measured wavefront interferes with the waves reconstructed by the other wavefront modes. Due to intermode interference, known holographic mode sensors are capable of measuring wavefronts containing only a few low-amplitude modes. To reduce intermode interference, hybrid wavefront sensors have been proposed that combine a mode sensor with a Shack-Hartmann sensor [14] or a mode sensor with a curvature sensor [15]. These sensors have a disadvantage in the form of the need for complex processing of a large number of signals from the photosensitive matrix.
Цель настоящего изобретения состоит в создании способа измерения мод волнового фронта и устройства, осуществляющего данный способ, обеспечивающих измерение с высокой скоростью десятков мод Цернике волнового фронта когерентной световой волны.The purpose of the present invention is to provide a method for measuring wavefront modes and a device implementing this method, providing a high speed measurement of tens of Zernike modes of the wavefront of a coherent light wave.
Указанная цель достигается тем, что способ измерения мод волнового фронта содержит итерационный процесс, в ходе которого аберрации волнового фронта измеряются и устраняются по мере увеличения диаметра измеряемого волнового фронта, что отличает предложенный способ от известных итерационных способов измерения мод волнового фронта [16]. Для осуществления данного способа измерения используется устройство содержащие корректор волнового фронта и голографический модовый датчик волнового фронта. Голографический модовый датчик основан на фурье-голограммах рассеянных мод Цернике волнового фронта и отличается от прототипа [12,13] тем, что измеряет волновой фронт одновременно на разных его диаметрах.This goal is achieved by the fact that the method for measuring wavefront modes contains an iterative process, during which wavefront aberrations are measured and eliminated as the diameter of the measured wavefront increases, which distinguishes the proposed method from the known iterative methods for measuring wavefront modes [16]. To implement this measurement method, a device containing a wavefront corrector and a holographic mode wavefront sensor is used. The holographic mode sensor is based on the Fourier holograms of the scattered Zernike modes of the wavefront and differs from the prototype [12,13] in that it measures the wavefront simultaneously at different diameters.
При первом цикле итерационного процесса голографический модовый датчик волнового фронта измерят амплитуды мод, на первом, наименьшем диаметре волнового фронта, который достаточно мал, чтобы априори было известно, что при таком диаметре волнового фронта интермодовые помехи настолько малы, что можно измерить одну или несколько первых мод Цернике волнового фронта. Корректор волнового фронта уменьшает амплитуды мод на первом диаметре волнового фронта на величины амплитуд мод измеренные голографическим модовым датчиком волнового фронта. После уменьшения амплитуд мод корректором волнового фронта голографический модовый датчик волнового фронта повторно измеряет амплитуды ранее измеренных мод. Амплитуда каждой моды на первом диаметре волнового фронта находится как сумма амплитуды моды измеренной до уменьшения амплитуд мод корректором волнового фронта и амплитуды моды измеренной после коррекции волнового фронта.During the first cycle of the iterative process, the holographic mode wavefront sensor will measure the amplitudes of the modes, at the first, smallest diameter of the wavefront, which is small enough for it to be known a priori that with such a diameter of the wavefront, the intermode interference is so small that one or several of the first modes can be measured Zernike wavefront. The wavefront corrector reduces the mode amplitudes at the first wavefront diameter by the mode amplitudes measured by the holographic mode wavefront sensor. After decreasing the mode amplitudes by the wavefront corrector, the holographic mode wavefront sensor re-measures the amplitudes of the previously measured modes. The amplitude of each mode at the first diameter of the wavefront is found as the sum of the mode amplitude measured before the mode amplitudes decrease by the wavefront corrector and the mode amplitude measured after the wavefront correction.
При втором цикле итерационного процесса по найденным амплитудам мод на первом диаметре волнового фронта, рассчитываются приближенные значения амплитуд мод Цернике на втором диаметре волнового фронта. Для каждой моды ее приближенное значение на втором диаметре находится как значение амплитуды моды, измеренное на первом диаметре волнового фронта, умноженное на отношение второго диаметра к первому диаметру, возведенное в степень равную степени полинома, описывающего данную моду. Данный способ расчета приближенных значений амплитуд мод основан на соотношениях, связывающих амплитуды мод на разных диаметрах волнового фронта [17]. Второй диаметр волнового фронта определяется из условия его достаточно малого увеличения по сравнению с первым диаметром, при котором расчетные приближенные значения мод близки к их фактическим значениям. Корректор волнового фронта уменьшает амплитуды мод волнового фронта на его втором диаметре на величины равные расчетным приближенным значениям мод, что уменьшает интермодовые помехи и позволяет голографическому модовому датчику измерить моды на втором диаметре волнового фронта. Амплитуда каждой моды на втором диаметре волнового фронта находится как сумма расчетного приближенного значения амплитуды и амплитуды моды измеренной голографическим модовым датчиком после коррекции аберраций. На втором диаметре волнового фронта могут измеряться дополнительные моды, не измеренные на первом диаметре.In the second cycle of the iterative process, using the found amplitudes of the modes at the first diameter of the wavefront, the approximate values of the amplitudes of the Zernike modes at the second diameter of the wavefront are calculated. For each mode, its approximate value at the second diameter is found as the value of the mode amplitude, measured at the first diameter of the wavefront, multiplied by the ratio of the second diameter to the first diameter, raised to a power equal to the power of the polynomial describing the given mode. This method of calculating the approximate values of the amplitudes of the modes is based on the relations connecting the amplitudes of the modes at different diameters of the wavefront [17]. The second diameter of the wavefront is determined from the condition of its sufficiently small increase in comparison with the first diameter, at which the calculated approximate values of the modes are close to their actual values. The wavefront corrector reduces the amplitudes of the modes of the wavefront at its second diameter by values equal to the calculated approximate values of the modes, which reduces intermode interference and allows the holographic mode sensor to measure modes at the second diameter of the wavefront. The amplitude of each mode at the second diameter of the wavefront is found as the sum of the calculated approximate value of the amplitude and the amplitude of the mode measured by the holographic mode sensor after aberration correction. Additional modes can be measured at the second diameter of the wavefront that were not measured at the first diameter.
При третьем цикле итерационного процесса по найденным амплитудам мод на втором диаметре волнового фронта, рассчитываются приближенные значения мод на третьем диаметре волнового фронта. Для каждой моды ее приближенное значение на третьем диаметре находится как значение амплитуды моды, измеренное на втором диаметре волнового фронта, умноженное на отношение третьего диаметра ко второму диаметру, возведенное в степень равную степени полинома, описывающего данную моду. Третий диаметр волнового фронта определяется из условия его достаточно малого увеличения по сравнению с первым диаметром, при котором расчетные приближенные значения мод близки к их фактическим значениям. Корректор волнового фронта уменьшает амплитуды аберраций волнового фронта на его третьем диаметре на величины равные расчетным приближенным значениям мод, что обеспечивает малость интермодовых помех и позволяет голографическому модовому датчику измерить моды на третьем диаметре волнового фронта. Амплитуда каждой моды на третьем диаметре волнового фронта находится как сумма расчетного приближенного значения амплитуды и амплитуды моды измеренной голографическим модовым датчиком после коррекции волнового фронта. На третьем диаметре волнового фронта могут измеряться дополнительные моды, не измеренные на втором диаметре.In the third cycle of the iterative process, using the found amplitudes of the modes at the second diameter of the wavefront, the approximate values of the modes at the third diameter of the wavefront are calculated. For each mode, its approximate value at the third diameter is found as the value of the mode amplitude, measured at the second diameter of the wavefront, multiplied by the ratio of the third diameter to the second diameter, raised to a power equal to the power of the polynomial describing the given mode. The third diameter of the wavefront is determined from the condition of its sufficiently small increase in comparison with the first diameter, at which the calculated approximate values of the modes are close to their actual values. The wavefront corrector reduces the amplitudes of the wavefront aberrations at its third diameter by values equal to the calculated approximate values of the modes, which ensures the smallness of intermode interference and allows the holographic mode sensor to measure modes at the third diameter of the wavefront. The amplitude of each mode at the third diameter of the wavefront is found as the sum of the calculated approximate value of the amplitude and the amplitude of the mode measured by the holographic mode sensor after correcting the wavefront. Additional modes not measured at the second diameter can be measured at the third diameter of the wavefront.
Итерационный процесс продолжается подобным образом для больших диаметров волнового фронта. Последний N-ый цикл итерационного процесса начинается расчетом приближенных значений амплитуд мод на N-ом, максимальном диаметре измеряемого волнового фронта, равном диаметру рассеивателя 3 датчика (Фиг.3). Для каждой моды ее приближенное значение на N-ом диаметре находится как значение амплитуды моды, измеренное на (N-1)-ом диаметре волнового фронта, умноженное на отношение N-го диаметра к N-1 диаметру, возведенное в степень равную степени полинома, описывающего данную моду. Значение (N-1)-го диаметра волнового фронта определяется из условия его достаточно малого уменьшения по сравнению с N-ым диаметром, при котором расчетные приближенные значения амплитуд мод близки к их фактическим значениям. Корректор волнового фронта уменьшает амплитуды мод волнового фронта на его N-ом диаметре на величины равные расчетным приближенным значениям мод, что обеспечивает малость интермодовых помех и позволяет голографическому модовому датчику измерить моды на N-ом диаметре волнового фронта. На этом итерационный процесс заканчивается.The iterative process continues in a similar manner for large wavefront diameters. The last N-th cycle of the iterative process begins by calculating the approximate values of the amplitudes of the modes at the N-th, the maximum diameter of the measured wavefront, equal to the diameter of the
Голографический модовый датчик волнового фронта измеряет моды на N-ом диаметре волнового фронта, на котором могут измеряться дополнительные моды, не измеренные на (N-1)-ом диаметре. Корректор волнового фронта компенсирует аберраций волнового фронта на его N-ом диаметре, уменьшая амплитуды мод на их измеренные значения.The holographic mode wavefront sensor measures modes at the N-th diameter of the wavefront, at which additional modes not measured at the (N-1) -th diameter can be measured. The wavefront corrector compensates for wavefront aberrations at its Nth diameter, reducing the mode amplitudes by their measured values.
При измерении волнового фронта на одном из его диаметров одновременно измеряются волновые фронты на всех меньших диаметрах волнового фронта. Если голографический модовый датчик в силу каких либо причин, например, слишком больших амплитуд мод, оказывается неспособным измерить амплитуды на одном из диаметров волнового фронта, то итерационный процесс возобновляется на одном из меньших диаметров волнового фронта, на котором волновой фронт измеряется.When measuring a wavefront at one of its diameters, wavefronts are simultaneously measured at all smaller diameters of the wavefront. If the holographic mode sensor, for some reason, for example, too large mode amplitudes, is unable to measure the amplitudes at one of the wavefront diameters, then the iterative process is resumed at one of the smaller wavefront diameters at which the wavefront is measured.
В ходе итерационного процесса, целесообразно использовать диаметр измеряемого волнового фронта составляющий 0,816 часть от его максимального диаметра. На данном диаметре, как следует из примера выполнения изобретения, меньше разница приближенного расчетного и фактического значения амплитуд мод Цернике.In the course of the iterative process, it is advisable to use the diameter of the measured wavefront, which is 0.816 part of its maximum diameter. At a given diameter, as follows from an example of implementation of the invention, the difference between the approximate calculated and actual values of the amplitudes of the Zernike modes is less.
Для осуществления предложенного способа измерении мод волнового фронта используется устройство, схема которого представлена на Фиг.4, содержащее голографический модовый датчик волнового фронта 19 и корректор волнового фронта 20, устраняющий аберрации измеряемой волны 21. Голографический модовый датчик, отличается от своего прототипа тем, что голограммы датчика записываются при разных диаметрах падающей на рассеватель 3 волны 5 (Фиг.5). Для получения заданного диаметра волны 5 используется диафрагма переменного диаметра 18, установленная перед рассеивателем 3. Значения диаметров волны 5 и амплитуд мод Цернике, при записи голограмм, определяются согласно предложенному способу измерения волнового фронта. Запись голограмм при разных диаметрах падающей на рассеиватель 3 волны 5 позволяет предложенному датчику измерять моды волнового фронта одновременно на разных диаметрах волнового фронта. У предложенного голографического модового датчика волнового фронта такая же схема взаимного расположения элементов датчика, как и у известного датчика, представленная на Фиг.3. Голограммы предложенного датчика расположены в пределах равностороннего шестиугольника, подобно их расположению на Фиг.2.To implement the proposed method for measuring wavefront modes, a device is used, the diagram of which is shown in Fig. 4, containing a holographic
Перечень фигурList of figures
Фиг.1 схема записи голограмм известного голографического модового датчика волнового фронта.Fig. 1 is a diagram of hologram recording of a known holographic mode wavefront sensor.
Фиг.2 взаимное расположение голограмм голографического модового датчика волнового фронтаFig. 2 relative position of holograms of the holographic mode wavefront sensor
Фиг.2 (а) голограммы записанные с использованием двух объектных волн.2 (a) holograms recorded using two object waves.
Фиг.2 (б) голограммы записанные с использованием одной объектной волны.2 (b) holograms recorded using one object wave.
Фиг.2 (в) голограммы записанные с использованием другой объектной волны.2 (c) holograms recorded using a different object wave.
Фиг.3 схема голографического модового датчика волнового фронта,Fig. 3 is a diagram of a holographic mode wavefront sensor,
Фиг.4 схема устройства для измерения мод волнового фронта.4 is a schematic diagram of a device for measuring wavefront modes.
Фиг.5 схема записи голограмм предложенного голографического модового датчика волнового фронта.Fig. 5 is a diagram for recording holograms of the proposed holographic mode wavefront sensor.
Фиг.6 схема использования устройства для измерения мод волнового фронта совместно с телескопической оптической системой и корректором наклонов волнового фронта.6 is a diagram of using a device for measuring wavefront modes in conjunction with a telescopic optical system and a wavefront tilt corrector.
Для лучшего понимания сущности заявленного изобретения приводим пример осуществления изобретения, когда аберрации волнового фронта световой волны вызваны турбулентностью атмосферы. В примере рассмотрен случай, когда световая волна с длиной волны диаметром 300 мм распространяется на расстояние 410 метров на высоте 12 метров над поверхностью земли и отражается в обратном направлении [18].For a better understanding of the essence of the claimed invention, we give an example of implementation of the invention, when the wavefront aberrations of the light wave are caused by atmospheric turbulence. The example considers the case when a light wave with a wavelength with a diameter of 300 mm spreads over a distance of 410 meters at a height of 12 meters above the earth's surface and is reflected in the opposite direction [18].
Аберрации волны описываются модами Цернике
Таблица 1 Table 1
В Таблице 1 также представлены амплитуды мод
Амплитуды мод являются случайными величинами и могут намного превосходить значения указанные в таблице 1. Тем не менее, с достаточно большой вероятностью они становятся равными или меньшими данных значений. В этот момент времени начинается итерационный процесс измерения и компенсации аберраций.The amplitudes of the modes are random quantities and can greatly exceed the values indicated in Table 1. However, with a fairly high probability they become equal to or less than these values. At this point in time, the iterative process of measuring and compensating for aberrations begins.
В данном примере устройство для измерения мод волнового фронта, в составе голографического модового датчика волнового фронта 19 и корректора волнового фронта 20, необходимо использовать совместно с телескопической оптической системой 22 и корректором наклонов волнового фронта 23 [19] (Фиг.6). Телескопическая оптическая система 22 уменьшает диаметр измеряемой волны 24 с 300 мм до 10 мм, корректор наклонов волнового фронта 23 устраняет отклонение направления распространения волны от оптической оси датчика.In this example, a device for measuring wavefront modes, as part of a holographic
В Таблице 2 представлены параметры способа измерения мод волнового фронта. В первой колонке таблицы указаны диаметры измеряемого волнового фронта в плоскости рассеивателя.Table 2 shows the parameters of the method for measuring wavefront modes. The first column of the table indicates the diameters of the measured wavefront in the plane of the scatterer.
Таблица 2table 2
ммWavefront diameter
mm
мод после коррекции рад2 The sum of the variances
mod after correction glad 2
n=2
m=0,±2fashion
n = 2
m = 0, ± 2
n=3,
m=±1,±3fashion
n = 3,
m = ± 1, ± 3
n=4,
m=
0,±2,±4fashion
n = 4,
m =
0, ± 2, ± 4
n=5
m=±1,±3,
±5fashion
n = 5
m = ± 1, ± 3,
± 5
n=6
m=0,±2,
±4,±6fashion
n = 6
m = 0, ± 2,
± 4, ± 6
коррекция
измерениеdimension
correction
dimension
измерениеcorrection
dimension
измерение-
dimension
--
-
--
-
--
-
измерениеcorrection
dimension
измерениеcorrection
dimension
--
-
--
-
--
-
измерениеcorrection
dimension
измерениеcorrection
dimension
измерение-
dimension
--
-
--
-
измерениеcorrection
dimension
измерениеcorrection
dimension
измерениеcorrection
dimension
измерение-
dimension
--
-
измерениеcorrection
dimension
измерениеcorrection
dimension
измерениеcorrection
dimension
измерениеcorrection
dimension
измерение-
dimension
В первой строке, соответствующей указанному диаметру, указаны операции выполняемые на данном диаметре, а именно измерение волнового фронта или коррекция волнового фронта и последующее его измерение. Во второй и третьей строках, соответствующих указанному диаметру, указаны дисперсии мод волнового фронта до коррекции волнового фронта и после его коррекции. Дисперсии мод волнового фронта до его коррекции находятся с использованием выражений [17], позволяющих найти амплитуду моды на меньшем диаметре волнового фронта при известных амплитудах мод на большем диаметре волнового фронта, в данном случае на диаметре 10 мм.The first line, corresponding to the specified diameter, indicates the operations performed on this diameter, namely, measuring the wavefront or correcting the wavefront and then measuring it. The second and third lines, corresponding to the indicated diameter, indicate the dispersions of the wavefront modes before and after the wavefront correction. The dispersions of the modes of the wavefront before its correction are found using expressions [17], which make it possible to find the amplitude of the mode at a smaller diameter of the wavefront at known amplitudes of modes at a larger diameter of the wavefront, in this case, at a diameter of 10 mm.
На диаметре волнового фронта 4 мм сумма дисперсий мод волнового фронта
достаточно большое, чтобы можно было измерить амплитуды указанных в таблице трех первых мод.large enough to measure the amplitudes of the first three modes listed in the table.
При первом цикле итерационного процесса голографический модовый датчик измеряет амплитуды данных мод, затем корректор волнового фронта уменьшает их амплитуды на измеренные датчиком величины амплитуд и голографический модовый датчик повторно измеряет на первом диаметре волнового фронта амплитуды ранее измеренных мод. Амплитуда каждой моды на первом диаметре волнового фронта находится как сумма амплитуды моды измеренной до уменьшения аберраций и амплитуды моды измеренной после уменьшения аберраций волнового фронта. Затем начинается второй цикл итерационного процесса.In the first cycle of the iterative process, the holographic mode sensor measures the amplitudes of these modes, then the wavefront corrector decreases their amplitudes by the amplitudes measured by the sensor, and the holographic mode sensor re-measures the amplitudes of the previously measured modes at the first wavefront diameter. The amplitude of each mode at the first diameter of the wavefront is found as the sum of the amplitude of the mode measured before the aberration decreases and the amplitude of the mode measured after the decrease in the wavefront aberrations. Then the second cycle of the iterative process begins.
Рассмотрим один цикл итерационного процесса для аберраций
На следующем цикле, при диаметре 8,16 мм, амплитуды аберраций
Приближенное расчетное значение данных амплитуд находятся исходя из значения амплитуд
Корректор волнового фронта уменьшает амплитуды аберраций на величины
При данных амплитудах дисперсия аберраций
В выражении (2) отсутствует амплитуда
Из Таблицы 2 следует, что максимальная дисперсия амплитуды волнового фронта 0,497 рад2 имеет место при максимальном диаметре волнового фронта. При данной дисперсии число Штреля
1. B.C. Platt and R.Shack, History and principles of Shack-Hartmann wavefront sensing // J.1. B.C. Platt and R. Shack, History and principles of Shack-Hartmann wavefront sensing // J.
Refractive Surgery, Vol.17, N5, pp.573-577, (2001)Refractive Surgery, Vol.17, N5, pp.573-577, (2001)
2. F. Roddier, Curvature sensing and compensation: a new concept in adaptive optics // Appl.2. F. Roddier, Curvature sensing and compensation: a new concept in adaptive optics // Appl.
Opt., Vol.27, N7, pp.1223-1226, (1988)Opt., Vol. 27, N7, pp. 1223-1226, (1988)
3. Патент RU 2 680 615 С1, 10.04.20183.
4. Ragazzoni R. Pupil plane wavefront sensing with an oscillating prism // Journal of Modern Optics, Vol.43, Issue 2 pp.289- 293, (1996)4. Ragazzoni R. Pupil plane wavefront sensing with an oscillating prism // Journal of Modern Optics, Vol. 43,
[5] K. E. Hadi, M. Vignaux, T. Fusco, Development of a pyramid wavefront sensor // Third AO4ELT Conference - Adaptive Optics for Extremely Large Telescopes. Florence, Italy. May (2013)[5] K. E. Hadi, M. Vignaux, T. Fusco, Development of a pyramid wavefront sensor // Third AO4ELT Conference - Adaptive Optics for Extremely Large Telescopes. Florence, Italy. May (2013)
6. M. A. A. Neil, J. Booth, T. Wilson, New modal wave-front sensor: a theoretical analysis // J. Opt. Sos. Am. A, Vol.17, N 6, pp.1098-1107, (2000)6. M. A. A. Neil, J. Booth, T. Wilson, New modal wave-front sensor: a theoretical analysis // J. Opt. Sos. Am. A, Vol. 17, No. 6, pp. 1098-1107, (2000)
7. M. J. Booth, Direct measurement of Zernike aberration mode with a modal wavefront sensor // Proc. SPIE, Vol.5162, pp.79-90, (2003)7. M. J. Booth, Direct measurement of Zernike aberration mode with a modal wavefront sensor // Proc. SPIE, Vol.5162, pp. 79-90, (2003)
8 Патент US 6,285,456 B18 Patent US 6,285,456 B1
9. Патент US 7,645,972 B29. Patent US 7,645,972 B2
10. Р, Кольер, К. Беркхарт, Л. Лин. М.: Мир, 1973.-686 с.10. R, Collier, K. Burkhart, L. Lin. M .: Mir, 1973.-686 p.
11. F. Kong, A. Lambert, Improvements to the modal holographic wavefront sensor // Applied Optics, Vol.55, N. 13, pp.3615-3625, (2016)11.F. Kong, A. Lambert, Improvements to the modal holographic wavefront sensor // Applied Optics, Vol.55, N. 13, pp. 3615-3625, (2016)
12. В. В. Орлов, Голографический модовый датчик волнового фронта с увеличенным числом измеряемых мод // Квантовая электроника, том 47, №8, стр.773-776, (2017)12. V. V. Orlov, Holographic mode wavefront sensor with an increased number of measured modes // Quantum electronics, vol. 47, no. 8, pp. 773-776, (2017)
13. V.V.Orlov, V.Yu.Venediktov, A.V.Gorelaya, E.V.Shubenkova, D.Z. Zhamalatdinov, Measurement of Zernike mode amplitude by the wavefront sensor, based on the Fourier-hologram of the diffuse scattered mode // Optics and Laser Technology Vol.116, August, pp.214-218, (2019).13. V.V. Orlov, V. Yu. Venediktov, A.V. Gorelaya, E.V. Shubenkova, D.Z. Zhamalatdinov, Measurement of Zernike mode amplitude by the wavefront sensor, based on the Fourier-hologram of the diffuse scattered mode // Optics and Laser Technology Vol. 116, August, pp. 214-218, (2019).
14. S. Dong, T. Haist, W. Osten, Hybrid wavefront sensor for the fast detection of wavefront disturbances // APPLIED OPTICS, Vol.51, No. 25, pp.6268-6274, (2012)14. S. Dong, T. Haist, W. Osten, Hybrid wavefront sensor for the fast detection of wavefront disturbances // APPLIED OPTICS, Vol. 51, No. 25, pp. 6268-6274, (2012)
15 S. Dong, T. Haist, T. Dietrich, W. Osten, Hybrid curvature and modal wavefront sensor // Proc. of SPIE Vol.9227, pp.922702-1-922702-12, (2014)15 S. Dong, T. Haist, T. Dietrich, W. Osten, Hybrid curvature and modal wavefront sensor // Proc. of SPIE Vol.9227, pp.922702-1-922702-12, (2014)
16. M. A. A. Neil, M. J. Booth, T. Wilson. Closed-loop aberration correction by use of a modal Zernike wave-front sensor // OPTICS LETTERS Vol.25, No. 15, pp.1083-1985, (2000)16. M. A. A. Neil, M. J. Booth, T. Wilson. Closed-loop aberration correction by use of a modal Zernike wave-front sensor // OPTICS LETTERS Vol. 25, No. 15, pp.1083-1985, (2000)
17. J. Schwiegerling. Scaling Zernike expansion coefficients to different pupil sizes // J. Opt. Soc. Am. A, Vol.19, No. 10, pp.1937-1945, (2002)17. J. Schwiegerling. Scaling Zernike expansion coef fi cients to different pupil sizes // J. Opt. Soc. Am. A, Vol.19, No. 10, pp. 1937-1945, (2002)
18. Experimental setup for investigation of laser beam propagation along horizontal urban path. R. Barros, S. Keary, L. Yatcheva, et al. // Proc. SPIE 9242, Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere XIX; and Optics in Atmospheric Propagation and Adaptive Systems XVII, 92421L, (2014).18. Experimental setup for investigation of laser beam propagation along horizontal urban path. R. Barros, S. Keary, L. Yatcheva, et al. // Proc. SPIE 9242, Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere XIX; and Optics in Atmospheric Propagation and Adaptive Systems XVII, 92421L, (2014).
19. О.И. Шанин. Адаптивные оптические системы коррекции наклонов. Резонансная адаптивная оптика. М.: Техносфера, 2013.-296 с.19.O.I. Shanin. Adaptive optical tilt correction systems. Resonant adaptive optics. M .: Tekhnosfera, 2013.-296 p.
Claims (29)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020129140A RU2746169C1 (en) | 2020-09-02 | 2020-09-02 | Method for measuring the wave front modes of light wave by holographic wave front mode sensor and device for implementing the method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020129140A RU2746169C1 (en) | 2020-09-02 | 2020-09-02 | Method for measuring the wave front modes of light wave by holographic wave front mode sensor and device for implementing the method |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2746169C1 true RU2746169C1 (en) | 2021-04-08 |
Family
ID=75353501
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020129140A RU2746169C1 (en) | 2020-09-02 | 2020-09-02 | Method for measuring the wave front modes of light wave by holographic wave front mode sensor and device for implementing the method |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2746169C1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006090320A1 (en) * | 2005-02-23 | 2006-08-31 | Lyncee Tec S.A. | Wave front sensing method and apparatus |
US7645972B2 (en) * | 2006-12-13 | 2010-01-12 | Lockheed Martin Corporation | High-speed readout of a wavefront sensor using position sensing device |
RU178706U1 (en) * | 2017-12-28 | 2018-04-17 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | OPTICAL DIAGRAM OF AN ANALYZER OF A WAVE FIELD OF OPTICAL RADIATION BASED ON A F light guide PLASTER WITH SYNTHESIZED HOLOGRAMS |
-
2020
- 2020-09-02 RU RU2020129140A patent/RU2746169C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006090320A1 (en) * | 2005-02-23 | 2006-08-31 | Lyncee Tec S.A. | Wave front sensing method and apparatus |
US7645972B2 (en) * | 2006-12-13 | 2010-01-12 | Lockheed Martin Corporation | High-speed readout of a wavefront sensor using position sensing device |
RU178706U1 (en) * | 2017-12-28 | 2018-04-17 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)" (МГТУ им. Н.Э. Баумана) | OPTICAL DIAGRAM OF AN ANALYZER OF A WAVE FIELD OF OPTICAL RADIATION BASED ON A F light guide PLASTER WITH SYNTHESIZED HOLOGRAMS |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
В.В. Орлов "Голографический модовый датчик волнового фронта с увеличенным числом измеряемых мод", КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА, т. 47, No 8, 2017 г., стр. 773-776. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6616279B1 (en) | Method and apparatus for measuring wavefront aberrations | |
US4309602A (en) | Wavefront sensing by phase retrieval | |
US6107617A (en) | Liquid crystal active optics correction for large space based optical systems | |
CA2445289C (en) | Defocus and astigmatism compensation in a wavefront aberration measurement system | |
US7397540B2 (en) | Phase diversity ranging sensor | |
AU2001294623A1 (en) | Method and apparatus for measuring wavefront aberrations | |
US6717661B1 (en) | Fourier moire wavefront sensor | |
US6598974B2 (en) | Method and apparatus for measuring wavefront aberrations | |
AU2002314771A1 (en) | Method and apparatus for measuring wavefront aberrations | |
US7268937B1 (en) | Holographic wavefront sensor | |
Orlov et al. | Measurement of Zernike mode amplitude by the wavefront sensor, based on the Fourier-hologram of the diffuse scattered mode | |
RU2746169C1 (en) | Method for measuring the wave front modes of light wave by holographic wave front mode sensor and device for implementing the method | |
Lukin et al. | Wavefront sensors for adaptive optical systems | |
US6771422B1 (en) | Real time optical information processing system | |
Hickson et al. | Single-image wavefront curvature sensing | |
Lukin et al. | Development of adaptive optics elements for solar telescope | |
Curatu et al. | Lens design and system optimization for foveated imaging | |
Roddier et al. | New optical testing methods developed at the University of Hawaii: results on ground-based telescopes and Hubble Space Telescope | |
JP2022523751A (en) | A system for inspecting the surface of light waves using a gradation density filter | |
Podanchuk et al. | Measurement of light-phase distortions in an acousto-optical deflector with Shack-Hartmann wavefront sensor | |
Roddier et al. | Testing optical telescopes from defocused stellar images | |
Mahajan et al. | Adaptive optics without wavefront sensors | |
Breckinridge | The Spatial Structure Analyzer and its Astronomical Applications. | |
Lukin et al. | Wavefront sensors and algorithms for adaptive optical systems | |
Khorin et al. | Adaptive Detection of Wave Aberrations Based on the Multichannel Filter. Photonics 2022, 9, 204 |