Разработана технология для точного измерения искажений оптических волн

Ученые предложили инновационный метод определения искажений волнового фронта — поверхности, на которой все точки волны имеют одинаковую фазу колебаний в данный момент времени. Такие искажения снижают качество изображений в различных оптических системах — от телескопов до человеческого глаза. 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 (Самара) 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.

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», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Павел Хорин, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории автоматизированных систем научных исследований Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева.