СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ ФАЗОВЫХ ИСКАЖЕНИЙ ВОЛНОВОГО ФРОНТА НА ОСНОВЕ СВЕТОВОГО ПОЛЯ Российский патент 2023 года по МПК G01N21/41 G02B27/00 G01M11/02 

Изобретение относится к способам и методам компенсации фазовых искажений оптической сигнальной волны в адаптивной оптике, вызванных флуктуациями среды, и может быть использовано в атмосферных линиях связи информационных когерентных оптических систем, критичных к флуктуациям фазы волны, а также в системах адаптивной оптики астрономических телескопов для решения задачи компенсации нестационарных искажений турбулентной атмосферы, в системах адаптивной коррекции, в системах лазерной адаптивной оптики.

Вызываемые турбулентностью случайные изменения показателя преломления могут существенно ограничивать технические характеристики оптических систем, так что в ряде случаев сама целесообразность их применения должна определяться на основе оперативного прогнозирования флуктуаций светового поля с учетом сложившейся в атмосфере оптико-метеорологической ситуации. Турбулентные неоднородности воздуха, определяющие оптические свойства атмосферы, создают случайную пространственно-неоднородную структуру поля показателя преломления атмосферного воздуха. В широком интервале флуктуаций пространственных частот единственной характеристикой этого процесса является профиль структурной постоянной показателя преломления [12]. Сведения о распределении локальных неоднородностей (турбулентности) в атмосфере требуют оперативного определения и компенсации искажений. При этом необходимость компенсации локальных неоднородностей возрастает с увеличением диаметра входного зрачка оптической системы и для больших телескопов (диаметром более 0,6 м) становится практически неизбежной.

Рассмотрим известные способы компенсации и коррекции фазовых искажений волнового фронта.

1. Известен способ коррекции фазовых искажений оптической волны [1]. Он относится к способам компенсации фазовых искажений оптической сигнальной волны, вызванных флуктуациями среды, и используется в атмосферных линиях связи информационных когерентных систем, критичных к флуктуациям фазы волны, что повышает качество коррекции путем снижения энергии остаточных флуктуаций фазы сигнальной волны. Для этого пространственное преобразование сигнальной волны осуществляют путем колебательного смещения оптического пучка параллельно самому себе со скоростью, определяемой градиентом изменения уровня сигнала на выходе фотоприемника, с помощью которого анализируют форму волнового фронта сигнальной волны после ее фотодетектирования. Способ реализуется путем пространственного преобразования сигнальной волны, заключающегося в колебательном смещении оптического пучка параллельно самому себе, что можно осуществить в устройстве, выполненном в виде плоскопараллельной пластины с пьезоэлементом, осуществляющим покачивание пластины, скорость которого пропорциональна амплитуде управляющего импульсного сигнала с единичной скважностью.

Недостатками этого способа являются низкая точность и необходимость использования специального устройства для реализации преобразования сигнальной волны и коррекции фазовых искажений.

2. Известны способы голографической записи и восстановления волновых фронтов, модулирующие состояние поляризации световых волн в виде переменной по поверхности голограмм анизотропии [2]. Способы основаны на эффекте Вейгерта, который позволяет реконструировать состояние поляризации световых электромагнитных полей.

Недостатком перечисленных способов является невозможность восстановления поляризации опорного пучка сигнальной волной, если поляризация последней на стадии воспроизведения отличается от ее состояния поляризации на стадии записи, т.е. восстановление заданной поляризации волнового фронта произвольно смешанным состоянием невозможно. Кроме того, указанные способы оставляют волновой фронт на изображении искаженным.

3. Известен способ коррекции волновых фронтов [3], заключающийся в пространственной модуляции фазы этих фронтов с последующим осуществлением оптической интегральной операции автокорреляции по фазе. Способ основан на осуществлении надсигнальным световым пучком операции пространственной модуляции фазы с одновременным разложением в Фурье-спектр с последующим пропусканием через Фурье-фильтр и корреляцией с опорным световым пучком, имеющим заданную форму волнового фронта.

Недостатком известного способа является невозможность коррекции состояния поляризации волнового фронта одновременно с коррекцией фазы вследствие использования только лишь пространственной модуляции фазы с последующим пропусканием через фазовый Фурье-фильтр.

4. Известен способ коррекции волновых фронтов [4], заключающийся в пространственной модуляции фазы этих фронтов с последующим осуществлением оптической интегральной операции автокорреляции по фазе, отличающийся тем, что, с целью коррекции произвольно смешанного состояния поляризации волновых фронтов в заданное, не зависящее от пространственных и динамических искажений поляризации и фазы волнового фронта, в процессе пространственной модуляции фазы осуществляют одновременно пространственную модуляцию поляризации, причем операции автокорреляции по фазе сопутствует двумерная операция автокорреляции по поляризации с реконструкцией заданного состояния поляризации волнового фронта.

Недостатком такого способа является низкая точность определения фазы, так как в силу некорректности задачи восстановления происходит неизбежное усиление шумов.

5. Известен способ коррекции фазы светового излучения, реализованный в адаптивной оптической системе фазового сопряжения [5], заключающийся в измерении локальных наклонов волнового фронта при помощи интерферометра сдвига, расчете формы волнового фронта и выдаче сигналов управления на монолитное пьезоэлектрическое адаптивное зеркало, особенностью которого является пренебрежимо малое взаимное влияние каналов управления.

Недостатком такого способа является невозможность использовать в качестве корректора волнового фронта адаптивное зеркало с сильным взаимным влиянием каналов управления (модальный корректор), обеспечивающее в силу гладкости функций отклика значительно более высокое качество фазового сопряжения, так как для использования такого корректора необходимо введение в адаптивную оптическую систему дополнительного мощного вычислительного блока для расчета управляющих корректором сигналов.

6. Известен способ обращения волнового фронта когерентного оптического излучения [6], заключающийся в формировании максимальных значений переменных составляющих, определяющих максимальное согласование фазовых фронтов принимаемого и опорного полей каждой субапертуры на фоточувствительных площадках гетеродинных приемников и сравнении их с реальными переменными составляющими. По результатам сравнения определяются величины фазовых рассогласований принимаемых и опорных полей каждой субапертуры, вносимых в процесс формирования адаптивного суммарного волнового фронта. Техническим результатом способа является сокращение времени и повышение точности формирования фазосопряженного фронта обращенной волны.

Недостатком этого способа является отсутствие возможности математической коррекции фазовых искажений волнового фронта.

7. Известен способ обращения волнового фронта излучения и устройство для его осуществления [7], включающий запись голограммы в нелинейной среде обращаемым волновым фронтом и плоским опорным пучком и считывание информации об аберрациях обращаемого фронта, где считывание осуществляют волной, сформированной из обращаемой, продифрагировавшей на записанной голограмме. В устройстве, включающем источник когерентного излучения, размещенный по ходу излучения узел формирования опорной волны, нелинейную среду для записи голограммы, поляризационную оптическую развязку и узел формирования считывающей волны, где узел формирования считывающей волны выполнен в виде ретроотражателя, установленного в направлении дифракции на голограмме обращаемой волны, при этом апертура ретроотражателя не меньше апертуры обращаемого пучка. При этом узел формирования считывающей волны выполнен в виде ретроотражателя, установленного в направлении дифракции на голограмме обращаемой волны, между главным зеркалом телескопической системы и нелинейной средой дополнительно введен усилитель, источник когерентного излучения дополнительно снабжен узлом освещения поля зрения телескопической системы излучением с поляризацией, ортогональной исходной, а апертура ретроотражателя не меньше апертуры обращаемого пучка.

Недостатками этого способа является отсутствие возможности математической коррекции фазовых искажений волнового фронта.

8. Известен способ обращения волнового фронта (ОВФ), основанный на эффекте вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) [8], включающий направление излучения в активную ВРМБ-среду и формирование в ВРМБ-среде в направлении навстречу обращаемой волне из спонтанных шумов обращенной волны с фронтом, сопряженным исходной волне. Такой способ является пороговым, т.е. обращает лишь достаточно мощное излучение.

Недостатком данного способа является то, что способ реализуем в узком диапазоне длин волн.

9. Известен способ фазовой коррекции светового излучения в линейной адаптивной оптической системе [9], заключающийся в том, что в адаптивной оптической системе, включающей корректор волнового фронта с нелокальными линейно независимыми и не ортогональными функциями отклика, производят предварительную автонастройку путем подачи эталонного светового излучения на корректор и пробных управляющих воздействий, после чего формируют сигналы управления, используя для этого процедуру ортогонализации векторов отклика датчика волнового фронта.

Способ использует рассеяние лазерного луча при прохождении через зоны турбулентности и ветры, что позволяет получить смешанную мелко-и крупнозернистую картину интенсивности, так называемые спеклы. В рассматриваемом варианте обнаружение спеклов производится путем измерения распределения интенсивности, возникающего при обратном рассеянии лазерного импульса на молекулах воздуха, с определением турбулентности атмосферы на основании сравнения спекл-картин. Это означает, что по мгновенному изображению спеклов можно обнаружить и измерить турбулентность атмосферы.

Недостатками данного способа является низкое качество коррекции, обусловленное тем, что форма волнового фронта приближается плоскими сегментами, управляемыми по смещениям и наклонам, а также сама коррекция осуществляется путем механического изменения плоскости гибкого зеркала.

В качестве прототипа выбран способ получения изображений светового поля высокой четкости, основанный на измерении оптического поля [10], предназначенный для обработки световой информации получаемой с камеры светового поля и дальнейшего получения изображений с высоким разрешением, уменьшение влияния всех аберраций на ухудшение субапертурной симметричной характеристики изображения. Способ заключается в том, что получают изображения на основе регистратора светового поля, вычисляют смещение субапертурного изображения камеры светового поля, субапертурное изображение снова перемещают, чтобы компенсировать это смещение, симметрию восстанавливают с помощью субапертурного изображения, затем изображение с получаемого апертурой реализует коррекцию аберраций, таких как атмосферные турбулентности, цифровая перефокусировка, и затем выполняется коррекция для симметричного субапертурного изображения, что позволяет получить изображение с высоким разрешением, чтобы улучшить разрешение изображения камеры светового поля.

Прототип включает следующие этапы:

1) Получение с камеры светового поля изображения с объектами, чтобы получить исходные данные светового поля и извлечь субапертурное изображение виртуальной подсети;

2) Изображение субапертуры обрабатывается, для точечной цели значение изображения субапертуры виртуальной подсети рассчитывается с помощью алгоритма центроида, а для повышения разрешения цели выбирается и используется на изображение субапертуры;

3) Изображение субапертуры виртуальной подсети рассчитываются с помощью алгоритма корреляции изображений. Корреляционная матрица субапертурного изображения исследуется и, таким образом, определяется смещение центра масс субапертурного изображения. Алгоритм корреляции изображения заключается в вычислении смещения субпиксельного отображения путем вычисления максимальной корреляционной матрицы изображения, посредством субапертурного изображения виртуальной подсети и эталонного изображения;

4) Производится преобразование изображения субапертуры виртуальной подсети, что позволяет компенсировать смещение и восстановить симметрии изображения субапертуры виртуальной подсети;

5) Осуществляется цифровая перефокусировка к субапертурному изображению для восстановления симметрии и получения восстановленного изображения цели высокого разрешения. Числовой метод, используемый при перефокусировке, может представлять собой трассировку лучей, численное интегрирование или преобразование Фурье.

Недостатком прототипа является недостаточное качество коррекции, обусловленное тем, что получение высокого разрешения изображения достигается плоскими сегментами, а не объемом наблюдаемого пространства по всей глубине.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении качества компенсации фазовых искажений волнового фронта и коррекции путем снижения энергии остаточных флуктуации фазы сигнальной волны в объеме наблюдаемого пространства на основе коррекции фазовых искажений без использования механических управляемых элементов и на основе апостериорной компенсации фазовых искажений после экспонирования (регистрации) кадра виде цифрового или аналогового объекта данных.

Сущность изобретения заключается в том, что компенсацию фазовых искажений волнового фронта методом обращения волнового фронта осуществляют на основе алгоритмического преобразования и апостериорной обработки данных объема наблюдаемого пространства, что позволяет повысить качество коррекции путем снижения энергий остаточных флуктуации фазы сигнальной волны относительно энергии принимаемого сигнала, при этом регистрацию наблюдаемой объемной области пространства с объектом наблюдения осуществляют специальным устройством, именуемым регистратором светового поля, на основе регистрации совокупности хода лучей, именуемой световым полем, от объекта наблюдения по направлениям их распространения в оптико-электронной системе.

Формирование изображений наблюдаемой области пространства осуществляют одновременно за один кадр и в одной экспозиции фиксацию упорядоченной группы оптических изображений в глубину наблюдаемой объемной области пространства, каждому из которой соответствует алгоритмически рассчитанная совокупность хода лучей в пределах подгруппы субапертурных малоразмерных изображений,

Под упорядоченной группой оптических изображений (всего N) подразумевается группа оптических изображений, последовательно расположенных в строгом соответствии их в глубину наблюдаемой области пространства, внутри которой находится объект наблюдения (фиг. 4).

Под упорядоченной подгруппой изображений понимается совокупность изображений по выделенным объемным пространственным областям, соответствующих своему порядку следования в N упорядоченной группе изображений, на которой алгоритмически производится вычисление смещения и ширины размытия светового пучка, пришедшего из глубины наблюдаемой области.

При этом алгоритмическим путем по выделенным объемным пространственным областям профиля показателя преломления воздух, каждому из которых соответствует фиксированное значение структурной постоянной показателя преломления, рассчитывается совокупность хода лучей в пределах подгруппы субапертурных малоразмерных изображений и алгоритмически вычисляются разные углы визирования, получаемыми за счет регистрации совокупности хода лучей (светового поля) по направлениям их распространения в оптико-электронной системе (фиг. 2), что позволяет в пределах каждого оптического изображения, входящего в упорядоченную группу (фиг. 3), фиксировать параметры структурной постоянной показателя преломления в локальных профилях наблюдаемой объемной области пространства перпендикулярно линии визирования источника излучения. Данная совокупность хода лучей и набор субапертурных малоразмерных изображений записываются в виде цифрового или аналогового объекта данных, сформированного после регистрации. Цифровым или аналоговым объектом данных может являться физический или цифровой носитель информации, отдельный файл и др.

Анализ формы волнового фронта сигнальной волны производят на основе алгоритмического определения углов визирования малых гомоцентрических пучков лучей, не подвергнутых фазовым флуктуациям, по направлениям их распространения в оптической части оптико-электронной системы, позволяющих в пределах каждого оптического изображения, входящего в упорядоченную подгруппу, определять параметры светового поля, формируемого наблюдаемой объемной областью пространства вдоль линии визирования.

Вычисление параметров искажений волнового фронта, посредством которого производят компенсацию фазовых искажений волнового фронта, аналогичного обращению волнового фронта с использованием физической адаптивной оптико-электронной системы, производят по отношению к упорядоченному вдоль линии визирования пространственному преобразованию сигнальной волны на основе упорядоченного хода лучей путем алгоритмической обработки параметров светового поля объемной области пространства с целью коррекции формы волнового фронта посредством компенсации флуктуаций фазы сигнальной волны на основе измерения смещений и степени размытия светового пучка, что позволяет получить профиль структурной функции показателя преломления по всей наблюдаемой объемной области пространства.

Это позволяет без формирования управляющего воздействия для физического исполнительного устройства, реализующего обращение пучка волн в пространстве (вызывающего механическую деформацию оптической детали), именуемого корректором волнового фронта, компенсировать искажения наблюдаемого объемного пространства на основе трехмерной картины флуктуаций сигнальной волны.

Упорядоченным считается направление распространения сигнальной волны в объеме наблюдаемого пространства, не испытывающей фазовые флуктуации на трассе распространения. Зная параметры объектива, формирующего изображение, можно предсказать направление неискаженного хода лучей в каждой субапертуре и, следовательно, построить объемные параметры фазовой флуктуации. Таким образом, можно сформировать массив орт-векторов, описывающих ход неискаженных гомоцентрических пучков лучей (опорное световое поле) в виде цифрового или аналогового объекта данных.

Фазовые искажения волнового фронта будут вызывать случайные изменения направлений распространения гомоцентрических пучков лучей, образующих регистрируемое световое поле. При этом потери энергии излучения будут определяться только коэффициентом пропускания оптической системы, и будут считаться одинаковыми для пучков лучей опорного и регистрируемого светового поля.

Регистратор светового поля, описанный в работах [13, 15], позволяет получать изображения наблюдаемой объемной области пространства, то есть регистрировать в виде цифрового или аналогового объекта данных всю совокупность хода лучей в виде массива векторов, модуль которых несет информацию об энергии (амплитуде) волны, а направление распространения - о фазе волны. Для реализации описанного способа необходимо использовать регистратор светового поля с пространственно-разрешающей способностью, позволяющей считать каждый описанный пучок лучей гомоцентрическим, что обеспечивает условия применения теоремы Котельникова для восстановления профиля волнового фронта с наименьшими искажениями.

Компенсацию фазовых искажений волнового фронта при формировании конечного изображения объекта, аналогично обращению волнового фронта с использованием адаптивной оптико-электронной системы, производят путем алгоритмического преобразования на основе соответствующих пространственных преобразований сигнальной волны путем апостериорной обработки полученного изображения наблюдаемой объемной области пространства в виде цифрового или аналогового объекта данных, сформированного после ее регистрации.

Для компенсации искажений изображения наблюдаемой объемной области пространства, зарегистрированного в виде цифрового или аналогового объекта данных, необходимо получить новый объект данных, в котором направления хода отдельных гомоцентрических пучков лучей в пространстве будут совпадать с орт-векторами, описывающими опорное световое поле, а модули векторов - регистрируемое световое поле. Реализовать данный подход можно двумя рассмотренными далее способами.

1) Определить углы между каждым вектором, описывающим искаженный пучок лучей, и соответствующим ему опорным орт-вектором и затем использовать матрицу поворота или кватернион для поворота каждого вектора на эти углы, взятые с противоположным знаком.

Для вычислений в декартовых координатах можно использовать матрицу (1) поворота в виде:

Получить новый вектор (2) можно с использованием выражения:

2) Определить модуль каждого вектора, описывающего искаженный пучок лучей, и умножить на этот модуль соответствующий ему опорный орт-вектор.

При заранее известном положении наблюдаемого объекта - опорного источника излучения в наблюдаемой объемной области пространства -формирование опорного светового поля является задачей геометрической оптики. В случае заранее неизвестного положения объекта в наблюдаемой объемной области пространства формирование опорного светового поля производится перебором объема пространства возможных положений его резкого изображения (например, распределения функции рассеивания точки) в световом поле с итерационным поиском максимума взаимно-корреляционной функции объема пространства или максимального контраста формируемого изображения. Важным преимуществом предлагаемого способа перед аналогами заключается в возможности многократной реализации описанных процедур с цифровым или аналоговым объектом данных (экспонированным кадром) в апостериорном режиме с целью получения наилучших характеристик выходного изображения наблюдаемого в объеме пространства на основе мгновенного профиля структурной функции показателя преломления, полученного за один кадр и в одной экспозиции, вдоль всей глубины изображения наблюдаемой объемной области пространства.

Алгоритм компьютерной коррекции изображений удаленных объектов через турбулентную атмосферу приведен в статье [17], принцип которого заключается в накоплении сигнала с двумерным смещением по полю кадра в режиме реального времени. Предлагаемый способ позволяет реализовать принцип апостериорной обработки трехмерного массива с перебором вариантов опорного светового поля.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности компенсации искажений волнового фронта в апостериорном режиме без применения механического воздействия на адаптивную оптическую систему, что позволяет повысить качество изображения наблюдаемой области пространства с объектом наблюдения.

Для достижения технического результата предлагается способ компенсации фазовых искажений волнового фронта на основе светового поля, заключающийся в математической коррекции волнового фронта на основе данных, полученных с регистратора светового поля (специального устройства, предназначенного для регистрации совокупности хода лучей, именуемой световым полем), от объекта наблюдения по направлениям их распространения в оптико-электронной системе.

Формирование объемных характеристик атмосферы и параметров соответствующих лучей происходит на основе способа определения пространственного профиля показателя преломления воздуха объемной области пространства на основе анализа светового поля [12], где интересуемый участок окружающего пространства наблюдают составной оптической системой (фиг. 4), формирующей массив субапертурных малоразмерных изображений в плоскости матричного фотоприемника с использованием опорного источника излучения. В процессе формирования массива малоразмерных субапертурных изображений в плоскости фотоприемника регистрируется совокупность хода лучей (световое поле) после прохождения ими оптической системы и их пространственные координаты (смещение в плоскости и ширину размытия), что обеспечивает получение данных для расчета обобщенных значений структурной постоянной показателя преломления для каждой области пространства, в которой эти искажения можно считать однородными. Такие области принято называть зонами изопланатизма, а пучок лучей в пределах каждой зоны можно рассматривать как гомоцентрический. При этом расчет значений показателя преломления воздуха пространственного профиля из N зон изопланатизма, приходящихся на площадь входного зрачка оптической системы, производится алгоритмически на основе правила обобщенной обработки полученных значений углов визирования и пространственного расположения отдельных гомоцентрических пучков лучей для всей совокупности малоразмерных субапертурных изображений наблюдаемой области пространства, полученных на матричном фотоприемнике с расположенным перед ним массивом микролинз.

Формирование набора стереоскопических изображений для серии углов визирования с большой разрешающей способностью приводит к увеличению точности определения расстояния и размеров между наблюдаемыми спеклами и увеличению достоверности измерения границ спекла за счет выявления селективной локальной неоднородности путем вариации пиксельной структуры при изменении угла визирования. При этом коррекция и компенсации фазовых искажений волнового фронта происходит математически на основе данных, полученных с регистратора светового поля в апостериорном режиме.

Устройством, позволяющим реализовать способ компенсации фазовых искажений волнового фронта на основе светового поля, по технической сущности является регистратор светового поля, описанный в работах [13, 15], для получения изображения наблюдаемой объемной области пространства. Оптико-электронную систему дополняют виртуальным оптическим элементом (фиг. 5, 6), реализованным на вычислительных средствах, и позволяющим выполнять обращение волнового фронта не деформируемым зеркальным корректором, а математическим преобразованием и алгоритмической постобработкой.

Компенсация фазовых искажений волнового фронта происходит алгоритмически на основе данных, полученных с регистратора светового поля. Применение виртуального оптического элемента позволяет выбирать различные способы коррекции и компенсации. Более общий случай с компенсацией фазовых искажений волнового фронта для модели параллельного пучка представлен на фиг. 5. Вариант для модели сходящегося пучка представлен на фиг. 6.

Описанный способ позволяет использовать регистратор светового поля как в качестве корректора фазовых искажений, так и в качестве фото приемного устройства основного (информационного) канала. Устройство для реализации данного способа не требует существенной конструкционной доработки известного устройства и может быть внедрено в существующих телескопах.

Сравнительная оценка эффективности предлагаемого способа проведена по методике, изложенной в [14]. В качестве показателя эффективности использовался выигрыш в точности адаптации, который достигается при использовании предлагаемого способа по сравнению с прототипом. Количественно оценить его можно отношением дисперсий ошибки коррекции волнового фронта предлагаемым способом по сравнению с обычной адаптивной системой.

Наиболее близким примером устройства, реализующим предлагаемый способ, по технической сущности является устройство активной адаптивной оптико-электронной системы управления телескопом [11], предназначенное для компенсации искажений волнового фронта (общего наклона, дефокусировки и остаточных локальных искажений), представленное на (фиг. 1). Устройство содержит: главное зеркало (1); вторичное зеркало (2); двухкоординатное зеркало общих наклонов волнового фронта (3); деформируемый зеркальный корректор (4); управляющее устройство (5); восстановитель фазы (6); датчик волнового фронта (7); светоделитель (8); фокальную плоскость изображения в телескопе (9); устройство формирования оптимальных сигналов управления (10); устройство оценивания (фильтрации) наклонов волнового фронта (11); устройство управления вторичным зеркалом (12); устройство формирования опорного точечного источника (13); устройство адаптации к изменению характеристик наклонов ВФ (14).

Подтверждение результатов проводилось на экспериментальной установке путем моделирования оптического тракта с изменяющимся пространственным профилем атмосферной турбулентности, объектом наблюдения и пленоптической камерой (регистраторами светового поля). В качестве пленоптических камер использовались регистраторы светового поля Lytro Light Field Sensor с разрешением 11 мегалучей (количество световых лучей, улавливаемых сенсором) и компьютер со специально разработанным программным обеспечением был установлен в параллельном пучке в плоскости, сопряженной с плоскостью апертуры телескопа. Регистратор светового поля имел цифровую камеру CMOS Sensor Aptina MT9F002 14.4 Мрх (размеры матрицы 6.14x4.6 мм) с массивом субапертурных микролинз, состоящим из 130,000 микролинз [15]. Также проводилось моделирование оптического тракта с применением адаптивной оптической системы.

В качестве источника света использовались как точечные, так и протяженные и геометрически сложные объекты. Использование двух регистраторов светового поля в адаптивной оптической системе позволило сохранить плотность светового потока на каждой субапертуре и, как следствие, повысить точность измерений и коррекции искажений волнового фронта, что дало получить наилучшего качества изображения объекта в данных условиях наблюдения.

Верификация результатов измерения предлагаемым способом была выполнена путем сравнения изменений приведенных к зениту значений радиуса Фрида, обозначающего средний линейный размер неоднородности показателя преломления [16], и интегральной величины характеристики показателя преломления воздуха. Проведенное сравнение предлагаемого способа и прототипа на основании методики [14] показал, что предлагаемый способ компенсации фазовых искажений волнового фронта на основе светового поля демонстрирует более точную коррекцию и компенсацию волнового фронта по сравнению с обычной адаптивной системой [17].

Рассмотренные материалы подтверждают реализуемость предлагаемого способа.

В располагаемых источниках информации не обнаружено технических решений, содержащих в совокупности признаки, сходные с отличительными признаками заявляемого способа. Следовательно, изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Наличие новых существенных признаков совместно с известными и общими с прототипом позволило создать новое техническое решение -способ компенсации фазовых искажений волнового фронта на основе светового поля. Способ комплексно решает задачу повышения качества формирования изображения, получаемого оптической системой без применения сложной адаптивной оптической системы или дополняя ее.

Патент выполнен в рамках гранта президента Российской Федерации МК-2140.2022.4.

Источники информации, принятые при составлении описания и формулы изобретения.

1. Авторское свидетельство СССР SU №1203463, G02B 26/06, 1984. Способ коррекции фазовых искажений оптической волны, авторы: Минаев И.В., Рубцов СВ.

2. Какичашвили Ш.Д. Поляризационная запись голограмм. В сб.: Проблемы голографии, вып.2, М., МИРЭА, 1973, с. 222-226.

3. Авторское свидетельство СССР SU №511776, G02F 1/00, 1974. Способ коррекции волновых фронтов, авторы: Басиладзе Г.Д., Быков A.M.

4. Авторское свидетельство СССР SU №1015333, G03H 1/12, 1981. Способ коррекции волновых фронтов, авторы: Г.Д. Басиладзе, A.M. Быков, А.В. Воляр, А.В. Гнаговош, В.Б. Панченко и Н.В. Спевчук.

5. Адаптивная оптика. Сборник. - М., 1980, с. 304-332.

6. Патент RU №2383909 G02A 1/01, 2008. Способ обращения волнового фронта когерентного оптического излучения, авторы: Дунец В.П., Гревцев А.И., Козирацкий А.Ю., Козирацкий Ю.Л., Кулешов П.Е., Прохоров Д.В.

7. Патент RU №211226513 G02F 1/35, 1998. Способ обращения волнового фронта излучения, устройство для его осуществления и система направления лазерного излучения на мишень, авторы: Агейчик А.А., Резунков Ю.А., Степанов В.В.

8. Зельдович Б.Я., Пилипецкий Н.Ф., Шкунов В.В. Обращение волнового фронта. М.: Наука, 1985, с. 17.

9. Авторское свидетельство СССР SU №1753443, G02B 26/06, 1989. Способ коррекции волновых фронтов, авторы: Аполлонов В.В., Вдовин Г.В., Иванова Е.А., Муравьев С.В. и Четкий С.А.

10. Патент CN 106803892 В, 2019. A kind of light field high-resolution imaging method based on optical field measurement. Inventor: Liu Xincheng, Ma Haotong, Qi Bo, Ren Ge, Xie Zongliang, Dong Li, Chen Feng, Shi Jianliang, Cui Zhangang, Zhang Meili.

11. Патент RU №2324959 от 20.05.2008. Устройство активной адаптивной оптико-электронной системы управления телескопом, авторы: Буцев С.В., Король О.В.

12. Патент RU №2773390 G01W 1/00, 2022, заявка №2020130531/28(055244) от 15.09.2020. Способ определения высотного профиля показателя преломления воздуха объемной области пространства на основе анализа светового поля, авторы: Кошкаров А.С, Широбоков В.В.

13. Ng R. Digital light field photography // A dissertation submitted to the department of computer science and the committee degree of doctor of philosophy. Copyright by RenNg, 2006. - 187.

14. Буцев СВ. Эффективность функционирования адаптивных оптических систем. - Квантовая электроника, 1995, №4, с. 345-349

15. 3D Light Field Camera Technology / Raytrix GmbH, Germany, 2013, [Электронный ресурс]. URL: http://www.isolutions.com.sg/Raytrix.pdf.

16. Hickson E «Fundamentals of atmospheric and adaptive optics» / The University of British Columbia, Department of Physics and Astronomy. 2008. E 68.

17. Видимость сквозь турбулентную атмосферу. Компьютерная коррекция изображений удаленных объектов. [Электронный ресурс]. URL: https://habr.com/ru/post/173791/.

Изобретение может быть использовано в атмосферных линиях связи информационных когерентных оптических систем, критичных к флуктуациям фазы волны, а также в системах адаптивной оптики астрономических телескопов. Способ включает формирование массива субапертурных изображений в плоскости фотоприемника. Коррекцию фазовых искажений волнового фронта осуществляют на основе математического преобразования и апостериорной обработки данных. Регистрацию наблюдаемой объемной области пространства осуществляют регистратором светового поля. Производят анализ формы волнового фронта сигнальной волны и формируют профиль структурной функции показателя преломления по всей наблюдаемой объемной области пространства. Для компенсации искажений изображения получают новый объект данных, в котором направления хода отдельных гомоцентрических пучков лучей будут совпадать с орт-векторами, описывающими опорное световое поле, а модули векторов – регистрируемое световое поле. Технический результат - повышение точности компенсации искажений волнового фронта. 6 ил.

Способ компенсации фазовых искажений волнового фронта, включающий формирование изображения наблюдаемой объемной области пространства, анализ формы волнового фронта сигнальной волны, вычисление параметров искажений волнового фронта, компенсацию фазовых искажений волнового фронта при формировании конечного изображения наблюдаемого объекта, отличающийся тем, что при этом формирование изображения наблюдаемой объемной области пространства осуществляют одновременно за один кадр и в одной экспозиции фиксацию упорядоченной группы оптических изображений в глубину наблюдаемой объемной области пространства, каждому из которой соответствует алгоритмически рассчитанная совокупность хода лучей в пределах подгруппы субапертурных малоразмерных изображений, при этом анализ формы волнового фронта сигнальной волны осуществляют на основе алгоритмического определения углов визирования малых гомоцентрических пучков лучей, не подвергнутых фазовым флуктуациям от опорного источника излучения, по направлениям их распространения в оптической части оптико- электронной системы, позволяющих в пределах каждого оптического изображения, входящего в упорядоченную подгруппу, определять параметры светового поля, формируемого наблюдаемой объемной областью пространства вдоль линии визирования, при этом вычисление искажений волнового фронта, посредством которого производят математическую компенсацию фазовых искажений волнового фронта, осуществляют по отношению к упорядоченному вдоль линии визирования пространственному преобразованию сигнальной волны на основе упорядоченного хода лучей путем алгоритмической обработки параметров светового поля объемной области пространства, соответствующей конкретной упорядоченной подгруппе изображений, на основе измерения смещений и степени размытия светового пучка, что позволяет получить профиль структурной функции показателя преломления по всей наблюдаемой объемной области пространства, при этом компенсацию фазовых искажений волнового фронта при формировании конечного изображения объекта осуществляют путем мгновенного профиля структурной функции показателя преломления вдоль всей глубины изображения наблюдаемой объемной области пространства.