Приложение D (справочное). Применение матриц микролинз в датчиках волнового фронта

Приложение D
(справочное)

Применение матриц микролинз в датчиках волнового фронта

D.1 Датчик волнового фронта Шака-Гартмана

Матрицы микролинз применяют для изготовления датчиков волнового фронта. Матрицы микролинз используют в датчике Шака-Гартмана для измерения формы падающего волнового фронта на основе измерения положений сфокусированных пятен, создаваемых матрицей [4]. Датчик может быть выполнен с высокой чувствительностью и, как правило, использован с теми адаптивными оптическими системами, в которых деформируемое зеркало настраивается для оптимизации формы волнового фронта [5].

На рисунке D.1 приведено схематическое изображение принципа работы датчика Шака-Гартмана, в котором матрица микролинз делит фронт падающей волны на несколько небольших областей, каждая из которых фокусируется в пятно на матрице детекторов. Если плоский опорный волновой фронт используют при нормальном падении, то пятна образуются на осях микролинз. Если испытуемый фронт волны неплоский, то пятна образуются на расстоянии от осей. Матрицу детекторов, такую как прибор с зарядовой связью (CCD), как правило, применяют для регистрации изображений множества пятен, что позволяет точно определять положения центров пятен.

1 - волновой фронт; 2 - матрица микролинз; 3 - датчик изображения (детекторная матрица); 4 - сфокусированные пятна на матрице детекторов; 5 - положение пятна

Рисунок D.1 - Схематическое изображение принципа работы датчика Шака-Гартмана (использование матрицы микролинз в схеме измерения падающего волнового фронта)

Поперечные положения пятен связаны с локальными наклонами волнового фронта в областях апертур линзы. Форма волнового фронта может быть рассчитана на основе данных о наклоне с использованием компьютера и специального программного обеспечения. Как правило, необходимо сопрягать поперечные размеры области анализируемого излучения с соответствующими размерами матрицы микролинз и матрицы ПЗС (прибора с зарядовой связью), как показано на схеме измерения волнового фронта по методу Шака-Гартмана на рисунке D.2.

1 - источник волнового фронта; 2 - оптический элемент расширения или сжатия луча; 3 - матрица микролинз; 4 - детекторная матрица

Рисунок D.2 - Схема измерения волнового фронта по методу Шака-Гартмана

Поперечное разрешение волнового фронта ограничено шагом микролинз в матрице. Точность измерения волнового фронта ограничена точностью, с которой могут быть определены центры сфокусированных пятен.

По сравнению с некоторыми другими датчиками волнового фронта данная система имеет преимущество наибольшей оптической эффективности и отсутствия движущихся механических частей. Другие преимущества - скорость измерения и возможность применения датчика с волновыми фронтами с низкой когерентностью.

D.2 Другие датчики волнового фронта

Матрицы микролинз также используют в другом типе системы измерения волнового фронта, в котором форму падающего волнового фронта вычисляют на основе измерений осевого изменения интенсивности матрицы пятен, генерируемых в фокальной плоскости матрицы микролинз. Относительную интенсивность сфокусированных пятен контролируют синхронно с деформируемым мембранным зеркалом. Деформируемое зеркало изменяет кривизну волнового фронта от вогнутого до выпуклого, что влияет на кривизну волнового фронта, генерирующего пятна [6]. Датчик применяют совместно с высокоскоростной системой детектирования, а также в процессе астрономических наблюдений. Адаптивные оптические системы используют в телескопах для исправления атмосферных помех, при этом сигналы измерений волнового фронта поступают на деформируемое зеркало телескопа, которое настраивают для оптимизации формы падающего волнового фронта [7].

На рисунке D.3 показана схема датчика кривизны волнового фронта. Падающий волновой фронт фокусируется линзой на деформируемое мембранное зеркало, которое изменяет свою форму от вогнутой до выпуклой. Волновой фронт затем отражается другим зеркалом в матрицу микролинз.

1 - линза; 2 - деформируемое зеркало; 3 - зеркало; 4 - матрица микролинз; 5 - оптические волокна; 6 - датчики

Рисунок D.3 - Схема датчика кривизны волнового фронта

Матрица микролинз делит падающий волновой фронт на несколько небольших областей, каждая из которых сфокусирована в определенном месте. Свет в пятнах собирается с помощью набора оптических волокон и направляется на высокоскоростные датчики. Движение мембранного зеркала приводит к перемещению пятен на торцах передающих волокон. Измеренные интенсивности связаны с соответствующей кривизной зеркала. Расчеты волнового фронта выполняют на основе данных в тот момент, когда каждый датчик выдает максимальный выходной сигнал.

Для регистрации света в пятнах, как правило, используют датчики с высокой чувствительностью и высоким временным разрешением, такие как лавинные фотодиоды. Результаты расчета волнового фронта применяют для управления сегментированными деформируемыми зеркалами телескопов.