Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

Факультет Фотоники и Оптоинформатики

Кафедра Компьютерной Фотоники и Видеоинформатики

Реферат

по дисциплине Теория Систем и Системный Анализ

на тему

«АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ХАРАКТЕРИСТИК СОВРЕМЕННЫХ КОМПОНЕНТОВ АДАПТИВНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ»

Студент: Романов И.Е.

Группа: 4352

Преподаватель: Гуров И.П.

Санкт-Петербург

2014

Содержание

Введение …………………………………………………….………………….2

Адаптивная оптическая система………………………………………………3

Датчики волнового фронта …………………………………………..………..5

Корректоры волнового фронта……………………………………….………..9

1)Сегментированные зеркала ……..........................................................10

2)Зеркала со сплошной поверхностью………………………………...11

2.1)Биморфные зеркала……………………………………….....12

2.2)Мембранные зеркала……………………..………………….14

3) Moems (кремниевая технология)………………..………………...14

Заключение……………………………………………………..……………...15

Список литературы …………………………………………………………...16

Дополнительные источники информации………………………………… ..17

Введение

Адаптивная оптика (АО) - раздел оптики, занимающийся разработкой оптических систем с динамическим управлением формой волнового фронта для компенсации случайных возмущений и повышения предела разрешения наблюдательных приборов, степени концентрации излучения на приемнике или мишени. Адаптивная оптика начала интенсивно развиваться в 1950-е гг. в связи с задачей компенсации искажений фронта, вызванных атмосферной турбулентностью и накладывающих основное ограничение на разрешающую способность наземных телескопов. Позднее к этому добавились проблемы создания орбитальных телескопов и мощных лазерных излучателей, подверженных другим видам помех.

Адаптивная оптика находит применение в различных областях науки и техники. Например, в конструировании наземных астрономических телескопов, в системах оптической коммуникации, в промышленной лазерной технике, в медицине и пр., где позволяет компенсировать, соответственно, атмосферные искажения, аберрации оптических систем, в том числе оптических элементов глаза человека.

Целью данной работы является изучение адаптивных оптических систем, а также проведение аналитического обзора на характеристики их компонентов.

Адаптивная оптическая система

Впервые на возможность коррекции атмосферных искажений изображения при помощи деформируемого зеркала указал в 1953 году американский астроном Хорас Бэбкок (Babcock H.W). Он предположил создание инструмента, который бы, выполнял измерение динамических атмосферных искажений в реальном времени и их корректировку с помощью быстро перестраиваемых формоизменяющих оптических элементов [1]. Однако реализовать его идеи на тот момент не удалось из-за ограниченности технологий.

Основная задача, которую можно решить системой адаптивной оптики, заключается в устранении возмущений волнового фронта, вызываемых неконтролируемыми случайными воздействиями. К наиболее известным системам такого типа относятся:

1. Наземные телескопы, вследствие неоднородности земной атмосферы разрешающая способность данных систем снижается.

2. Системы формирования и фокусировки лазерного излучения.

3. Лазерные измерительные системы, работающие в атмосфере.

4. Оптические системы мощных лазеров.

Реализация адаптивных оптических систем определяется конкретным, решаемым ею, кругом задач. Однако общие принципы построения таких систем одинаковы. Конструктивно адаптивная оптическая система обычно состоит из датчика, измеряющего искажения (датчик волнового фронта), корректора волнового фронта и системы управления, реализующей связь между датчиком и корректором. Общая схема адаптивной оптической схемы приведена на Рис. 1. [6].

Рис. 1. Общая схема адаптивной оптической системы

Датчики волнового фронта

Датчик волнового фронта (ДВФ) является одним из элементов адаптивной системы корректировки лазерного излучения. Его задача – измерять кривизну волнового фронта и передавать эти измерения на обрабатывающее устройство (Рис.2).

Рис. 2. Изображение искаженного волнового фронта, получаемое с помощью массива микролинз.

Основными причинами кривизны волнового фронта являются:

1. Турбулентность атмосферы.

2. Неидеальность форм оптических элементов системы.

3. Погрешности при юстировке системы и др.

Сегодня существует большое разнообразие ДВФ. Однако, наиболее распространенный - на основе схемы Шака-Гартмана (Рис.3.).

Рис. 3. Типовая схема датчика Гартмана

История создания такого датчика началась в 1900х годах, когда немецкий физик и астроном Йоханнес Франц Гартман решил использовать множество малых апертур для отслеживания пути распространения отдельных световых лучей через большой телескоп, что позволило ему проверить качество изображения. Позднее, в 1960х, Роланд Шак и Бен Платт модифицировали эту технологию, заменив апертуры на множество линз (линзовый растр) [5].

Такой датчик наиболее часто используется в системах корректировки волнового фронта благодаря своим достоинствам. Одно из главных преимуществ датчика Шака-Гартмана – это его способность измерять большой диапазон наклонов волнового фронта, когда искажения другими методами (например, интерференционными) не измерить. Такой датчик может быть использован для определения аберраций в профиле неколлимированного лазерного пучка. Кроме того, у него малая чувствительность к механическим вибрациям, и он может работать с импульсами большой мощности и фемтосекундной длительностью.

Датчик типа Шака-Гартмана состоит из матрицы микролинз и расположенного в их фокальной плоскости фотоприёмника. Каждая линза обычно имеет размеры от 1 мм и меньше. Линзы датчика разделяют исследуемый волновой фронт на субапертуры (апертура одной микролинзы), формируя в фокальной плоскости совокупность фокальных пятен. Положение каждого из пятен зависит от локального наклона волнового фронта пучка, пришедшего на вход датчика. Измеряя поперечные смещения фокальных пятен, можно вычислить средние углы наклонов волнового фронта в пределах каждой из субапертур. По этим величинам вычисляется профиль волнового фронта на всей апертуре датчика [2].

Рис. 4. Принцип работы датчика волнового фронта

Когда приходящий волновой фронт плоский, все изображения расположены в правильной сетке, определенной геометрией матрицы линз. Как только волновой фронт искажается, изображения смещаются со своих номинальных положений. Смещения центроидов изображения в двух ортогональных направлениях пропорциональны средним наклонам волнового фронта в этих направлениях по суб-апертурам. Таким образом, ДВФ Шака-Гартмана (ДВФ Ш-Г) измеряет наклоны волнового фронта. Сам волновой фронт реконструируется (восстанавливается) из массива измеренных наклонов с точностью до константы, которая не играет роли для изображения.

Характеристики ДВФ Шака-Гармана:

1. Амплитуда измеряемых аберраций - до 15 мкм.

2. Точность измерений - λ/100 (RMS).

3. Диаметр входного излучения - 8...100 мм.

Однако ДВФ Шака-Гартмана имеют один существенный недостаток: перекрестные помехи на ПЗС-матрицах. Они возникают, когда достаточно сильно искаженный волновой фронт падает на матрицу, поскольку при сильных отклонениях он может выйти за пределы своего подмассива и попасть на соседнюю матрицу. Таким образом, создается ложное пятно.

Но сегодня ошибки из-за перекрестных помех исключаются с помощью сложных алгоритмов. Они позволяют точно отслеживать и выводить истинное расположение пятна. Современное развитие алгоритмов и точности изготовления позволяют расширить область применения этих датчиков. Сегодня они нашли применение в различных системах проверки изображения.

Корректоры волнового фронта

Адаптивное зеркало — это исполнительный активный элемент адаптивной оптической системы, имеющий отражающую поверхность с деформируемым профилем. Деформируемые зеркала являются наиболее удобным инструментом для контроля волнового фронта и коррекции оптических аберраций.

Основные характеристики адаптивных зеркал:

1. Диапазон перемещений (характеризуется чувствительностью привода в составе зеркала (обычно чувствительность выражается в перемещениях поверхности в микрометрах при увеличении управляющего напряжения на 1 В)).

2. Область локальной деформации (отражает число степеней свободы зеркала (может быть задана эффективной шириной деформации единичной амплитуды, вызванной воздействием одного привода; функция, описывающая эту деформацию, называется функцией отклика)).

3. Полоса пропускания частот (определяется быстродействием используемого привода (ограничена сверху механическими резонансами самой конструкции зеркала)).

Конструктивно адаптивные зеркала можно разделить на две большие группы: