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).
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.
Одной из фирм, выпускающим датчик Шака-Гартмана является Thorlabs. Рассмотрим датчик WFS 150-5C. Он имеет следующие характеристики и возможности:
- ПЗС-матрица с разрешением 1.3 Мп;
- измерение профиля волнового фронта и распределения интенсивности в режиме реального времени;
- возможность смены массива микролинз с помощью высококачественной фотолитографии;
- размер фокусного пятна близок к дифракционному;
- может использоваться импульсный источник излучения;
- USB разъем;
- имеет компактные размеры: 48.5мм х 32.0мм х 40.4мм вместе с корпусом.
В этом датчике может быть использован массив линз с покрытием, корректирующим хроматические аберрации для λ=300-1100 нм, а также массив с антибликовым покрытием для λ=300-900 нм.
Первая комплектация поставляется с шагом в линзовом растре в 150 мкм, а вторая – с шагом или 150 или 300 мкм. В комплект входят 2 массива, ПЗС камера, в датчик уже загружены необходимые данные для калибровки обоих массивов. С помощью предоставленного набора инструментов достаточно легко поменять линзы, используемый магнитный держатель каждый раз точно позиционирует массив. Такой комплект идеально подходит, когда необходимо анализировать несколько источников излучения.
Одна из ниш, которую занимают датчики Шака-Гартмана – это камеры мобильных телефонов. Такие камеры основаны на простой конструкции объектива. Отдельные оптические характеристики могут быть плохого качества, т.к. отдельные линзы показывают значительное искажение волнового фронта (больше, чем есть на самом деле). Однако полная оптическая система может включать в себя три линзы, которые дополняют друг друга, что приводит к минимальному искажению общего изображения, как правило, менее 0.25 от длины волны.
Кроме того, такие ДВФ используются в лабораториях для измерения формы оптических элементов, а также для 3D реконструкции волнового фронта, искаженного атмосферой.
Развитие ПО, усовершенствование ПЗС камер и микрооптических элементов позволять ДВФ Шака-Гартмана подняться на новый уровень.
