Как новейшая гибридная линза преобразует методы измерения световых аберраций
Разработан новаторский метод для выявления искажений волнового фронта – феномена, при котором поверхность волны отклоняется от идеальной формы. Эти искажения негативно сказываются на качестве изображений в разнообразных оптических приборах, начиная от мощных телескопов и заканчивая человеческим глазом.
Новая технология способна с высокой точностью измерять волновые аберрации в широком диапазоне, открывая путь к их эффективной коррекции. Это имеет огромное значение для таких сфер, как астрономия, микроскопия, офтальмология и других, где требуется безупречное качество оптики. Данное исследование, поддержанное грантом Российского научного фонда (РНФ), было опубликовано в научном издании «Компьютерная оптика».
Волновые аберрации представляют собой деформации светового волнового фронта, возникающие из-за воздействия различных факторов: турбулентности атмосферы (например, газовых вихрей), несовершенств оптических компонентов или прохождения света через оптические системы вроде телескопов, микроскопов и даже зрительного аппарата человека. Такие искажения значительно снижают четкость и детализацию изображения, что особенно важно для астрономических наблюдений, требующих максимальной точности при изучении удаленных космических объектов.
Традиционно для измерения аберраций применяется метод интерферометрии, где искажения определяются по рисунку световых полос, формирующихся после прохождения лучей через исследуемый и эталонный образцы. Однако этот метод обладает рядом ограничений: он не подходит для сильных искажений (свыше 30% длины волны) и требует виброизоляции. Более того, как этот, так и другие существующие методы, как правило, нуждаются в сложном оборудовании и значительных временных затратах на обработку полученных данных.
Ученые из Самарского национального исследовательского университета имени С. П. Королева и Самарского Института систем обработки изображений НИЦ «Курчатовский институт» создали уникальный гибридный дифракционный оптический элемент. Эта инновационная линза объединяет принципы классической (преломляющей) оптики, используемой в очках и фотообъективах, с дифракционной оптикой, основанной на микроскопическом рельефе, который способен разделять и перенаправлять световые лучи. Данное устройство позволяет выявлять искажения световой волны в беспрецедентно широком диапазоне – от 5% до 50% длины волны.
Принцип работы нового дифракционного оптического элемента заключается в преобразовании деформированного волнового фронта в четкую визуальную схему, позволяющую идентифицировать характер и степень аберраций. Проходя через этот элемент, искаженный свет формирует уникальный узор из световых пятен. Детальный анализ этого узора дает возможность с высокой точностью определить оптические искажения.
При незначительных искажениях (до 10% длины волны) ключевым индикатором является появление нежелательного светового пятна (подобного блику) в центральной части узора. В случае более выраженных аберраций (от 10% до 50% длины волны) основная информация содержится в смещениях и деформациях световых пятен. Таким образом, этот дифракционный оптический элемент выступает в роли «переводчика», преобразуя незаметные оптические дефекты в явные визуальные сигналы, которые затем могут быть количественно оценены и исправлены.
Стоит особо подчеркнуть, что создание данного оптического элемента возможно с использованием уже существующих производственных технологий. В качестве основы могут быть применены, например, кварцевые подложки для формирования многоуровневых дифракционных структур – своеобразных микроскопических «лестниц». Кроме того, для оптимизации процесса обработки данных разработан специальный алгоритм, который обеспечивает быструю и точную идентификацию типа и величины аберраций даже при наличии сильных искажений или помех.
Эти достижения прокладывают путь к оперативному внедрению новой разработки в практические оптические системы. Например, дифракционный оптический элемент может эффективно применяться для исправления искажений в телескопах, обеспечивая более четкие изображения удаленных космических объектов; для повышения качества изображений в высокоточных микроскопах; а также в офтальмологии для точной диагностики и коррекции аберраций роговицы глаза.
«Этот новый гибридный оптический элемент способен измерять и корректировать широкий спектр искажений волнового фронта, оставаясь при этом простым в применении, — пояснил 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. — Такие дифракционные линзы имеют потенциал стать ключевым компонентом современной оптики, позволяя получать высококачественные изображения как удаленных космических тел, так и мельчайших образцов. В перспективе мы намерены интегрировать передовые технологии искусственного интеллекта для автоматического распознавания типа и величины аберраций на основе характерного светового узора, а также приступить к производству этого оптического элемента для его широкого внедрения.»
