Формирование пространственных распределений и коррекция аберраций световых полей методами адаптивной оптики, страница 5

Если ее значение далеко от оптимального, то алгоритм повторяетсясо второго шага.Предложенная методика была численно исследована на эффективность.Показано эффективное формирование бессель-гауссовых, супергауссовыхпучков в ближней зоне и кольцевых пучков в дальней (рис.9). Такжедемонстрируется возможность увеличения пиковой интенсивности в дальнейзоне и выходной мощности низшей поперечной моды.(а)(б)(в)Рис 9. (а) - профиль сформированной на выходном зеркале резонатора амплитуды бессельгауссова поля (NF = 9.9, λ=633 нм); (б) - профиль интенсивности низшей поперечной моды навыходном зеркале, пунктирная кривая – традиционная гауссова мода резонатора лазера,сплошная линия –супергауссова мода, сформированная в результате оптимизации мощности(NF = 9.65, λ=1064 нм); (в) – кольцевой пучок, сформированный в дальнем поле (NF = 9.65,λ=1064 нм).Глава 4 посвящена разработке методики коррекции осевых и внеосевыхаберраций световых пучков, прошедших или отраженных от аберрационныхсред.

В общем случае коррекция аберраций - это формирование пучков навыходе из оптической системы, имеющих плоский волновой фронт. В главе 4подробно проанализирована коррекция аберраций на основе метода ШакаГартмана гибкими биморфными зеркалами. Источник аберраций в первом20случае – это внеосевой параболический оптический элемент, во втором – этооптическая система человеческого глаза. В §4.1 приведены результаты поизмерению и коррекции аберраций параболического зеркала.

Исследованияаберраций конкретных экземпляров внеосевых параболических зеркал сфокусными расстояниями 150 мм и 50 мм, апертурой 50 мм и 20 мм указываютна внесение параболическими зеркалами таких аберраций, как астигматизм икома. Коррекция аберраций оказалась эффективной как с использованиемметода фазового сопряжения, так и метода покоординатного спуска c помощью17-электродного биморфного зеркала. В результате удалось снизить амплитудуаберраций оптических элементов в 2÷3 раза (рис.10).

При этом эффективностьдвух используемых алгоритмов оказалась примерно одинаковой.(а)(б)(в)(г)Рис.10. Аберрации внеосевых параболических зеркал (а) с f=150мм и (б) с f=50мм;результаты коррекции аберраций 18-ти электродным гибким биморфным зеркалом методомпокоординатного спуска для параболы с f=150мм (в) и f=50мм (г).Далее в главе предлагается оригинальный простой способ юстировкивнеосевых параболических зеркал.

Принцип юстировки основывается наследующем. Недостаточно точно съюстированный оптический элемент будетвносить искажения в волновой фронт отраженного или прошедшего сквозь негопучка. Искажения волнового фронта, в свою очередь, приведут к увеличениюразмера фокального пятна. При этом значение параметра М2 будет больше посравнению с М2 для правильно выставленного элемента. Рис. 11 показываетэкспериментальную зависимость параметра М2 от угла поворотапараболического зеркала вдоль одной из координатных осей. Оптимальныйугол положения, отвечающий корректной юстировке параболических зеркал,когда задняя поверхность параболического зеркала была перпендикулярнаоптической оси, соответствует минимальному значению М2.Параграф 4.2 посвящен измерению и коррекции монохроматическихаберраций человеческого глаза.

Для измерения монохроматических аберраций21человеческого глаза используетсятакже методика Шака-Гартманаизмеренияфазырассеянногосетчаткой глаза излучения точечногоисточника, сформированного насетчатке.Приводитсяописаниеэкспериментальной установки дляизмерения аберраций глаза ипримеры измерения аберраций глаз.Для того, чтобы оценить точностьизмерений, строится математическаямодель датчика волнового фронта.Рис. 11.

Зависимость параметра М2 от угламатематическаямодельповоротавнеосевогопараболического Даннаязеркала с фокальной длиной 50 мм и используется для анализа ошибок,возникающихприизмеренииапертурой 20 мм.аберраций глаза по методу ШакаГартмана. К анализируемым типам ошибок относились:9 ошибка, связанная с точностью позиционирования зрачка (до 3%),9 ошибка, связанная с конечным пространственным разрешением камеры(до 1%),9 ошибка, связанная с дискретизацией непрерывного по амплитуде сигналакамерой (до 0.1%),9 ошибка, связанная с шумовым сигналом камеры (до 0.4%),9 ошибка, связанные с выбором математической модели восстановленияволнового фронта (до 2.5%).Важно отметить, что последняя ошибка является систематической, поэтому еевлияние нельзя уменьшить за счет увеличения числа измерений аберрацийглаза.

Поэтому в работе предложен и реализован уточненный алгоритмвосстановления волнового фронта, устраняющий ошибки, связанные с выборомматематической модели расчета волнового фронта.Для отработки методики коррекции аберраций глаза в диссертационнойработе сначала такие аберрации исследуются экспериментально. Для этого научастках глазного дна, расположенных вне оси фиксации глаза, формируютсяопорные источники, рассеянное назад излучение которых анализируетсядатчиком Шака-Гартмана. Эксперимент показал, что хотя внеосевое поведениеаберраций варьируется от пациента к пациенту, что, по-видимому, обусловленоособенностями строения оптической системы глаза, вне оси фиксациизначительно изменяется амплитуда трех типов аберраций - дефокусировки,комы и астигматизма, тогда как значение других аберраций с углом в пределахошибки измерений не меняется.Далее в работе экспериментально исследуется вклад внутриглазнойоптики и роговицы в суммарные аберрации глаза.

Известно, что основнымиэлементами глаза, определяющими его оптические свойства, в том числевеличину внеосевых аберраций, являются роговица и хрусталик. Главнойцелью эксперимента, представленного в настоящей главе, является определение22относительного вклада этих двух оптических элементов в общую картуаберраций глаза. В данной работе был выполнен эксперимент по иммерсионнойметодике.

Сначала проводились измерения аберраций всего глаза. Затем, чтобыкомпенсировать аберрации роговицы, пациент надевал обыкновенныеплавательные очки, которые заполнялись иммерсионной жидкостью (жидкостьдля ухода за контактными линзами). Аберрации роговицы определялисьвычитанием из общей карты волнового фронта аберраций внутриглазнойоптики. Результаты измерений для одного из пациентов представлены на рис.12. Эти данные указывают на то, что амплитуда аберраций внутриглазнойоптики и роговицы превосходит амплитуду аберраций глаза в целом.(а)(б)(в)Рис.12. Пример карты волнового фронта для пациента АБ: (а) – аберрации глаза симмерсионной жидкостью, (б) – аберрации роговицы, (в) – аберрации глаза целиком.Это говорит о том, что между аберрациями различных элементов глаза(чаще всего к этим элементам относят роговицу и хрусталик) существуетестественный баланс, который приводит к оптимальному качеству зренияздорового глаза.Однако аберрации человеческого глаза флуктуируют во времени.

Дляанализа динамических свойств аберраций глаза необходимо, прежде всего,производить измерение аберраций с частотой, превышающей характернуючастоту флуктуаций аберраций глаза. Программное обеспечение аберрометрабыло оптимизировано таким образом, чтобы обработка одного изображениязанимала около 1 миллисекунды. Таким образом, после оптимизациипрограммы скорость измерения ограничивалась лишь аппаратными средствами,в основном быстродействием камеры (Basler A602f), которая составляла 50 Гц.При измерениях в течение 5 секунд с интервалом 20мс (частота 50Гц)измерялись аберрации до 4-го радиального порядка включительно (14коэффициентов Цернике). По измеренным временным зависимостям аберраций(рис.13 (а)) рассчитывался спектр флуктуаций аберраций (рис.13 (б)). Из рис. 13видно, что для частот, превышающих 5 Гц, спектральная амплитудафлуктуаций аберраций убывает примерно на четыре порядка.

Учитываяточность измерения аберраций с помощью датчика Шака-Гартмана, амплитудааберраций, находящихся за пределами 5 Гц не превышает амплитуду шумовогосигнала.На основе проведенных исследований аберраций глаза в работеприводится моделирование оптической системы глаза. В диссертации23обсуждаются модели глаза пациента, имеющие характер поведения статическихи динамических аберраций аналогичные реальному человеческому глазу.Создание таких моделей важно для дальнейшей отработки оптимальнойметодики коррекции осевых и внеосевых аберраций глаза.