WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

На правах рукописи

Максимова Людмила Александровна

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОБЪЕКТА

ПО СПЕКЛ-СТРУКТУРЕ ДИФРАКЦИОННОГО ПОЛЯ

01.04.05 – оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Саратов – 2007 2

Работа выполнена в Саратовском государственном университете им Н.Г.Чернышевского и в Институте проблем точной механики и управления РАН доктор физико-математических наук, профессор

Научный руководитель:

Владимир Петрович Рябухо доктор физико-математических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Анатолий Владимирович Скрипаль кандидат физико-математических наук Юрий Николаевич Перепелицын Институт систем обработки изображений РАН

Ведущая организация:

г. Самара

Защита состоится 2 марта 2007 года в 15.30 на заседании диссертационного совета Д 212.243.01 в Саратовском государственном университете им. Н.Г.Чернышевского по адресу: 410026, г. Саратов, ул. Московская, 155, СГУ, Физический факультет, корп. 3.

С диссертацией можно ознакомится в научной библиотеке Саратовского государственного университета

Автореферат разослан 2.02.2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета В.М.Аникин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Оптические фотоприемники способны регистрировать только интенсивность светового поля. В результате можно судить только об амплитуде колебаний, информация о фазе теряется. Фазовое распределение содержит в себе информацию о пространственном расположении объекта и его форме, и, таким образом, измерения, в которых не содержится информация о фазе, не позволяют составить полное представление о пространственных параметрах исследуемого объекта.

Обратная задача в оптике состоит в нахождении свойств источников или объектов по данным регистрируемого излучения. В голографии проблема записи и восстановления волнового поля решается кодировкой амплитуды и фазы объектной волны с помощью опорной волны. Информация об амплитуде содержится в голограммной структуре в коэффициенте модуляции пространственной несущей – контрасте интерференционных полос, образуемых объектной и опорной волнами.





Фазовая информация кодируется в положении этих полос и в их пространственной частоте. Без опорного пучка на стадии регистрации фазовая информация теряется, возникает проблема восстановления волнового поля и изображения объекта по записи интенсивности дифракционного поля.

В случае записи информации о рассеянном когерентном световом поле при отсутствии опорной волны регистрируется спекл-структура, образующаяся вследствие интерференции рассеянных волн, исходящих из разных точек объекта.

Спекл-структуры несут информацию о рассеивающих свойствах объектов и обладают ярко выраженными статистическими параметрами, исследование которых актуально как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. Этим исследованиям посвящены работы многих авторов: О.В. Ангельского, А.П. Владимирова, И.П. Гурова, Д.А. Зимнякова, И.С. Клименко, Ю.А. Кравцова, Г.Р. Локшина, Ю.Т. Мазуренко, П.П. Максимяка, В.И. Мандросова, И.А. Попова, С.С. Ульянова, T. Asakura, R. Barakat, J.C. Dainty, H.M. Escamilla, I. Freund, D.L. Fried, L.I. Goldfischer, J.W. Goodman, B. Grzegorzewski, E. Jakeman, H. Kadono, J.W. Martienssen, J. Ohtsubo, K. Ouchi, G. Parry, N. Takai, W.T. Welford, T. Yoshimura и др.

Достоинством голографических методов является полное восстановление информации об объектном поле. Однако при записи голограмм возникает ряд трудностей, такие как сложность технического оборудования, сложность соблюдения условия взаимной когерентности нескольких лазерных пучков, использующихся при регистрации.

Для решения задачи восстановления волнового поля по записи интенсивности дифракционного поля при отсутствии когерентной опорной волны разработаны различные методы. Решение подобного рода задачи актуально с практической точки зрения. Поскольку в отсутствии опорного пучка на стадии регистрации требования когерентности более низкие, то это является главным достоинством таких методов записи и восстановления изображения. Однако и в этих методах имеется ряд трудностей: сложность алгоритмов обработки зарегистрированной информации об объекте, сложность программирования, большие затраты времени на вычисление и отсутствие гарантии сходимости алгоритмов, чувствительность методов к шуму, необходимость получения какой-либо дополнительной информации об объектной волне. В настоящее время широко ведутся исследования в области разработки новых методов восстановления изображения, новых подходов для решения этой проблемы. К этим задачам восстановления изображения тесно примыкают задачи формирования оптических полей с заданными свойствами с помощью дифракционных оптических элементов. Задачам восстановления изображения по картине дифракционного поля и разработки дифракционных оптических элементов посвящены работы многих авторов: В.Я. Арсенина, Г.И. Василенко, Н.Г. Власова, Н.Л. Казанского, В.В. Котляра, В.А. Сойфера, А.М. Тараторина, А.Н. Тихонова, С.Н. Хониной, M.J. Bastiaans, R.H.T. Bates, W.X. Cong, M. FernndezGuasti, J.R. Fienap, B.R. Frieden, Y. Ichioka, S. Kawata, E. Kolenovic, A.V. Oppenheim, N. Streibl, D.G.H. Tan, M.R. Teague, K. B. Wolf и др.





Разработка более простых и быстродействующих алгоритмов записи и восстановления изображения по картине дифракционного поля является актуальной задачей с научной и практической точек зрения.

Цель диссертационной работы - исследования статистических свойств пространственных фазовых распределений в спекл-полях и разработка нового метода восстановления изображения по пространственному распределению интенсивности дифракционного спекл-модулированного поля.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Теоретическое и экспериментальное исследование статистических свойств и закономерностей пространственных фазовых распределений в диффузнорассеянных когерентных световых полях, формируемых в дальней зоне дифракции.

2. Исследование процессов и механизмов восстановления изображения с учетом статистических свойств спекл-поля в дальней области дифракции.

3. Разработка алгоритмов и программ компьютерной графической обработки цифровых спеклограмм с целью синтеза голограммных структур и получения искусственных голографически подобных дифракционных оптических элементов, позволяющих формировать изображения для некоторых классов объектов.

4. Разработка методов записи цифровых безопорных голограмм (спеклограмм) и алгоритмов восстановления изображений с таких голограмм как цифровыми, так и аналоговыми средствами.

Научная новизна исследований • Впервые показано, что комплексная амплитуда спекл-поля, формируемого коррелированным источником когерентного диффузно-рассеянного излучения, распределение интенсивности по которому описывается детерминированной четной функцией координат, принимает действительные значения в дальней области дифракции.

• Впервые проведен статистический эксперимент по прямому измерению разности фаз в двух точках поля, формируемого источником когерентного диффузнорассеянного излучения, в результате которого обнаружено, что наибольшая плотность вероятности разности фаз в соседних спеклах принимает значение • Для рассеивающих объектов, обладающих вращательной симметрией четного порядка, впервые реализован алгоритм компьютерной обработки дифракционных спекл-структур, позволивший восстановить изображение исходного объекта по записи интенсивности дифракционного поля.

• С помощью средств компьютерной графики впервые разработана методика обработки спеклограмм с целью восстановления информации о фазе рассеянного поля, утраченной на стадии регистрации.

• Впервые реализован вариант цифровой безопорной Фурье-голограммы на основе разработанной методики восстановления изображения объекта по зарегистрированной интенсивности дифракционного поля.

• Разработан новый метод и технология создания специального дифракционного оптического элемента, позволяющего формировать оптические структуры заданной формы и размеров.

Научно-практическая ценность работы Результаты работы позволяют расширить представления о ряде важных свойств когерентного диффузно-рассеянного поля. Теоретические и экспериментальные результаты работы по исследованию статистических свойств спекл-полей могут быть использованы при разработке новых технологий и подходов для создания дифракционных оптических элементов, устройств формирования изображений; новых методов и устройств оптической обработки информации, оптических измерений, интерференционных измерений параметров рассеивающих объектов, оптической микроскопии.

На основе разработанных алгоритмов восстановления изображения возможна разработка новых методов и технологий цифровой голографии, спекл-фотографии, голографической и спекл-интерферометрии, вычитания изображений, создания специальных дифракционных оптических элементов.

Результаты работы по исследованию статистических закономерностей распределения фазы в спекл-полях, образованных рассеивающими объектами различной формы, имеют научно-методологическое значение и могут использоваться в сфере образования в области естественных и технических наук, в современных учебных курсах по физической оптике.

Достоверность научных результатов и выводов, полученных в работе, обусловливается адекватностью используемых теоретических моделей исследуемым физическим процессам, корректностью принятых упрощающих допущений, корректностью постановки экспериментов и соответствием их результатов теоретическим выводам.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту 1. Спекл-модулированное оптическое поле, формируемое в дальней зоне дифракции -коррелированным рассеивающим объектом, распределение интенсивности по которому описывается детерминированной четной (симметричной) функцией координат, является действительным. Это поле представляет собой совокупность спеклов, в пределах каждого из которых фаза постоянна, а при переходе к соседнему меняется на радиан. В условиях не коррелированности источника имеет место неравномерность плотности распределения разности фаз в соседних спеклах с наиболее вероятным значением радиан.

2. Неравномерность плотности распределения вероятности разности фаз в двух точках спекл-поля может быть использована в алгоритмах обработки спеклограмм для синтеза голограммноподобных дифракционных структур для аналогового и численного восстановления изображения по записи интенсивности дифракционного поля.

3. Метод восстановления изображения объекта по записи интенсивности спеклкартины в дальней области дифракции, заключающийсяся в создании голограммноподобных дифракционных структур, путем нанесения системы несущих полос на спеклограмму со сдвигом на половину периода в соседних спеклах, с последующим Фурье-преобразованием полученной структуры.

4. Объектное волновое поле, восстановленное с голограммы, представляет собой суперпозицию элементарных волн, дифрагированных на элементарных ячейках голограммы, которые являются элементарными дифракционными решетками в виде спеклов, модулированных интерференционными полосами. Положение интерференционных полос внутри элементарной ячейки и положение самой ячейки определяют фазу элементарной волны, период полос – направление распространения элементарной волны, дифрагированной на данной ячейке.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены на международных конференциях: “Interferometry Techniques and Analysis” (USA, San-Diego, 1993); “International School on Optics, Laser Physics & Biophysics” (Саратов 2002, 2004, 2005, 2006 гг.); “Проблемы и перспективы развития прецизионной механики и управления в машиностроении” (Саратов, 2002 г.).

Исследования по теме диссертации проведены при поддержке грантов:

РФФИ №06-08-00987а; научной программы “Университеты России” № УР.01.01.048 и № УР.01.01.368; программы поддержки ведущих научных школ № НШ-25.2003.2 и CRDF № REC-006.

Личный вклад соискателя состоит в проведении теоретических исследований, в обсуждении и самостоятельном решении ряда задач, поставленных доцентом, к.ф.-м.н. Б.Б. Горбатенко и профессором, д.ф.-м.н. В.П. Рябухо; в постановке и проведении экспериментов; в обработке и анализе полученных результатов.

Публикации. По материалам исследований, выполненных в рамках диссертационной работы, опубликовано 10 научных работ, включая 5 статей в рецензируемых журналах, 3 статьи в сборниках научных трудов, 1 статья в сборнике докладов конференции.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 145 страниц текста, включая 46 рисунков. Список литературы содержит 206 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность решаемых задач, сформулирована цель работы, ее научная новизна, научно-практическая значимость, основные результаты и положения, выносимые на защиту.

Глава 1. МЕТОДЫ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ПО

КАРТИНЕ ДИФРАКЦИОННОГО ПОЛЯ

Обсуждаются методы решения обратной задачи восстановления изображения по картине дифракционного поля. Рассматриваются две основные группы методов решения обратной задачи восстановления изображения по картине дифракционного поля: с опорным и без опорного пучка на стадии регистрации интенсивности дифракционного поля. Обратная задача состоит в нахождении характеристик источников или рассеивателей по данным регистрируемого излучения. В голографии эта задача решается кодировкой амплитуды и фазы объектной волны в распределении регистрируемой интенсивности, в картине интерференции объектной и опорной волны. Требуется высокая степень взаимной когерентности объектной и опорной волн. Без опорного пучка на стадии регистрации требования когерентности значительно ниже, но при этом фазовая информация теряется и возникает проблема восстановления волнового фронта по записи интенсивности дифракционного поля.

Для решения задачи восстановления изображения при записи без опорного пучка существуют различные алгоритмы. Для итерационного приближения требуется начальное предположение о фазовом распределении, которое постепенно итерационно уточняется. Подход на основе итерационной процедуры не является вполне самостоятельным, поскольку для его реализации необходимо иметь достаточно близкое к реальному первое приближение пространственного распределения фазы.

Во многих неитерационных методах восстановления кроме распределения интенсивности в плоскости регистрации используется какая-либо дополнительная информация о световой волне, например, информация о распределении фазы или дополнительное распределение интенсивности в соседней плоскости.

Каждый из существующих методов имеет свои достоинства и недостатки, свою область применения. При использовании методов восстановления изображения по картине дифракционного поля без опорного пучка на стадии регистрации возникает ряд трудностей: сложность алгоритмов обработки зарегистрированной информации об объекте, сложность программирования, большие затраты времени на вычисление и отсутствие гарантии сходимости алгоритмов, чувствительность многих методов к шуму, необходимость получения какой-либо дополнительной информации о световой волне.

Рассмотрена задача восстановления изображения объектов по данным регистрируемого излучения в астрономии. Когерентно оптические методы позволяют восстанавливать изображения оптически неразрешаемых астрономических объектов. Трудность этих методов заключается в сложности вычислительной обработки регистрируемых данных и в том, что итерационные процессы не всегда сходятся.

Последнее время для формирования волнового фронта с заданными параметрами получили широкое применение в науке и технике дифракционные оптические элементы. Внешне такой оптический элемент представляет собой пропускающую или отражающую пластинку с тонким фазовым микрорельефом, рассчитанным в рамках теории дифракции. Для того чтобы сформировать в некоторой области пространства заданное распределение интенсивности, необходимо рассчитать фазовый микрорельеф или амплитудное пропускание ДОЭ.

Для решения этой задачи применяются различные численные методы. Появление компьютеров дало реальную возможность для численного расчета амплитуднофазовых характеристик светового поля в плоскости элемента, исходя из характеристик восстанавливаемого объекта.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЯ СТАТИСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗЫ

РАЗВИТОГО СПЕКЛ-МОДУЛИРОВАННОГО

ДИФРАКЦИОННОГО ПОЛЯ

Глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию статистических свойств распределения разности фаз в двух точках спеклмодулированного поля в дальней области дифракции. Исследование статистических свойств спекл-поля необходимо для создания метода восстановления изображения по спекл-структуре его дифракционного поля, который позволяет обойти трудности, присущие неголографическим методам восстановления изображения.

Спекл-структуры (рис.1) образуются вследствие интерференции рассеиваемых волн, исходящих из разных точек объекта носят ярко выраженные случайные характеристики. В работе была сформулирована и доказана следующая теорема:

спекл-поле, формируемое в дальней зоне -коррелированным источником когерентного диффузно-рассеянного излучения, распределение средней интенсивности по которому описывается четной функцией координат, является действительным.

Комплексная амплитуда граничного поля U (r ) вблизи -коррелированного источника когерентного диффузно-рассеянного излучения может быть представлена в виде суммы вкладов точечных взаимно когерентных источников со случайной фазой j, равномерно распределенной в интервале [-, ] где r координата в плоскости источника.

Из условия четности распределения интенсивности по источнику можно разложить сумму (1) на две симметричные половины Поле в дальней зоне дифракции U ( ) связано с полем U (r ) Фурьепреобразованием где пространственная частота поля. Учитывая -коррелированность источника когерентного диффузно-рассеянного излучения и то, что распределение интенсивности по источнику описывается четной функцией координат, можно показать, что выражение для поля в дальней зоне дифракции действительно Из доказанной в работе теоремы следует, что в дальней зоне дифракции в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения, случайная составляющая разности фаз в различных точках поля может принимать только два равновероятных значения 0 и радиан.

Теоретически установлено, что для источников -коррелированного излучения с центрально-симметричной формой в дальней области дифракции разность фаз в соседних спеклах равна радиан. Каждой угловой компоненте такого источника соответствует другая симметричная угловая компонента, при сложении которых в плоскости регистрации образуется волновое поле, как в классе регулярных интерференционных картин при интерференции двух наклонных волн.

В случае несимметричных источников симметричная угловая волновая компонента отсутствует.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что спекл-модулированное оптическое поле, формируемое в дальней зоне дифракции, для некоторых классов объектов является действительным. Это поле представляет собой совокупность спеклов, в пределах каждого из которых фаза постоянна, а при переходе к соседнему меняется на радиан. В условиях не -коррелированности источника имеет место неравномерность плотности распределения разности фаз в соседних спеклах с наиболее вероятным значением радиан.

Для экспериментального исследования распределения фазы в спекл-полях, создаваемых реальными не -коррелированными источниками использовалась интерференционная схема Юнга (рис. 1). Исследуемое спекл-поле получали путем прохождения лазерного пучка 1 через рассеиватель 2 и экран 3. В дальней области дифракции (расстояние z достаточно велико) устанавливался экран 4 с двумя точечными отверстиями, расстояние между которыми сравнимо с размерами спеклов. В плоскости изображения экрана 3, даваемого линзой 5, с помощью микроскопа 7 наблюдались интерференционные полосы и измерялись их смещения в долях периода при смене реализации спекл-поля. Изменение разности фаз поля в отверстиях экрана 4 связано с величиной сдвига интерференционных полос x простым соотношением = 2x /, где - период полос.

Рис. 1. Схема интерферометра Юнга для определения случайных фазовых соотношений в спекл-модулированном поле в дальней области дифракции: 1 – лазерный пучок, 2 – рассеиватель, 3 – экран с отверстием, 4 – экран с двумя отверстиями, 5 – линза, 6 – плоскость наблюдения, 7 – Измерения разности фаз проводились для различных расстояний r между отверстиями в экране 4 и для различных форм прозрачной части экрана 3. Эти расстояния выбирались согласно характерному поперечному размеру спеклов в плоскости экрана, согласно формуле где – длина волны падающего излучения, D – размер источника рассеянного излучения в плоскости 3, z – расстояние от источника 3 до экрана 4. На рисунке гистограммами представлены результаты измерения разности фаз поля для трех расстояний r между отверстиями в экране 4.

При r, равном размеру спекла, наиболее вероятно, что отверстия попадают в соседние спеклы, что соответствует сдвигу интерференционной картины от двух отверстий на половину периода, но не исключается возможность попадания отверстий и в один спекл, тогда сдвига полос Юнга не происходит.

Соответствующая гистограмма на рисунке 2,a показывает, что наиболее вероятны значения вблизи радиан. Когда расстояние между точечными отверстиями равно размеру 1,5 спекла равновероятно попадание отверстий либо в соседние спеклы, либо расположенные через один; в этом случае также не происходит сдвига интерференционных полос, так как разность фаз получается равной нулю, на соответствующей гистограмме (рис. 2,b) выравниваются вероятности значений разности фаз вблизи 0 и радиан. При r, равном размеру двух спеклов. наиболее вероятно попадание отверстий в спеклы, расположенные через один, но возможно попадание и в соседние спеклы; гистограмма на рисунке 2,c показывает относительное увеличение вероятности разности фаз вблизи 0.

Теоретические и экспериментальные исследования, результаты которых изложены в данной главе, показывают, что в дальней зоне дифракции в плоскости, перпендикулярной направлению распространения излучения, случайная составляющая разности фаз в различных точках поля преимущественно принимает два равновероятных значения 0 и радиан. Обнаруженное свойство о неравномерной плотности вероятности разности фаз в двух точках спекл-поля в дальнейшем использовано для создания алгоритмов обработки спеклов для синтеза голограммноподобных структур для аналогового или численного восстановления изображения.

Глава 3. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОБЪЕКТА

ПО ЗАПИСИ ИНТЕНСИВНОСТИ ДИФРАКЦИОННОГО

СПЕКЛ-МОДУЛИРОВАННОГО ПОЛЯ

В этой главе приведены результаты натуральных и численных экспериментов, подтверждающих возможность восстановления изображения рассеивающих объектов некоторых классов по зарегистрированной спекл-структуре дифракционного поля на основе свойства о неравномерной плотности вероятности разности фаз в двух точках спекл-поля в дальней области дифракции для коррелированных источников когерентного диффузно-рассеянного излучения.

Знание закона распределения фазы в спекл-структуре позволяет восстановить фазовую информацию, и, следовательно, дает возможность восстановления изображения объекта без использования когерентного опорного пучка на стадии записи распределения интенсивности объектного дифракционного поля.

Запись распределения интенсивности проводилась по схеме, представленной на рисунке 3.

Дальняя зона дифракции в плоскости регистрации реализуется введением линзы, которая совместно со свободным пространством выполняет преобразование Фурье. Параллельный лазерный пучок 1 освещает рассеиватель 2 и бинарный транспарант 3, представляющие объект. В наших экспериментах в качестве транспаранта 3 использовался непрозрачный экран с прозрачной частью симметричной или несимметричной формы. В качестве примера на рисунке приведено изображение 4 транспаранта 3 с прозрачной частью в форме кольцевого квадрата. Рассеянный объектом свет регистрируется в дальней области дифракции с помощью ССD-камеры. На рисунке 3 рядом с плоскостью регистрации 7 показан увеличенный фрагмент спекл-картины 9, наблюдаемый в этой плоскости. В экспериментах использовалась CCD-камера с размером матрицы пикселей (6,34.8 мм).

Рис. 3. Схема записи цифровой Фурье-спеклограммы в дальней области дифракции: 1 – лазерный пучок; 2 – рассеиватель; 3, 4 –транспарант, 5 – линза; 6 –виртуальный опорный пучок; 7 – плоскость регистрации; 8 – матрица CCD-камеры; 9 - увеличенный фрагмент спекл-картины, Спекл-модулированную интерференционную картину, представляющую собой голограммную структуру, можно зарегистрировать в плоскости регистрации если направить под некоторым углом когерентную опорную волну. В пределах каждого спекла будет формироваться система эквидистантных квазипараллельных интерференционных полос с периодом = / sin. Фрагмент такой голограммной структуры представлен на рисунке 4,a.

Любую световую волну можно разложить на бесконечную сумму плоских монохроматических волн. Голограмма при таком подходе представляет собой совокупность элементарных дифракционных решеток, каждая из которых расположена по всей плоскости голограммы. При представлении предметную волну как суперпозиции сферических волн, голограмма представляется как совокупность зонных пластинок.

В настоящей работе разработан более реалистический подход.

Зарегистрированная интерференционная картина, представляет собой совокупность элементарных дифракционных ячеек, которыми являются отдельные спеклы, промодулированные интерференционными полосами. При переходе от спекла к спеклу интерференционные полосы смещаются, поскольку фаза в спеклах разная.

При таком подходе, изображение, восстановленное с голограммы, представляет собой суперпозицию волн от элементарных ячеек, являющихся элементарными дифракционными решетками. Положение интерференционных полос внутри элементарной ячейки и положение самой ячейки определяют фазу элементарной волны, период полос – направление распространения элементарной волны, дифрагированной на данной ячейке.

Картину, аналогичную голограммной структуре, можно получить искусственным способом, используя запись только одной спеклограммы без опорного пучка. Для этого, тем или иным способом, например, методами компьютерной графики спеклограмму необходимо покрыть системой полос, имитирующих несущие интерференционные полосы голограммной структуры. В том случае, когда фазы соседних спеклов сдвинуты на радиан, эти интерференционные полосы будут сдвинутыми на полпериода при переходе от одного спекла к соседнему. Фрагмент, таким способом полученной картины, приведен на рисунке 4.b.

Рис. 4. Фрагменты реальной голограммы рассеивающего объекта (a) и спеклограммы того же объекта с искусственно нанесенной системой несущих полос (b) Результат аналогового преобразования Фурье от зарегистрированного распределения интенсивности I (, ), при наличии опорного пучка на стадии записи, представлен на рисунке 5. Преобразование Фурье можно также реализовать в численном виде на компьютере.

Рис. 5. Автокорреляционное гало и изображения, восстановленные с Фурье-голограммы Изображение спеклограммы с системой несущих полос с требуемым увеличением распечатывалось, а затем, с необходимым уменьшением фотографически переносилось на фотопластинку. Таким образом получали голографически подобный дифракционный оптический элемент. При освещении такого элемента лазерным пучком в дальней зоне дифракции наблюдались восстановленные изображения записанного объекта, которые представлены на рисунке 6,а. Таким способом проводилось аналоговое Фурье-преобразование.

Рис. 6. Картина дальнего дифракционного поля, формирующегося при освещении лазерным пучком синтезированного дифракционного элемента (a), и дифракционного элемента, На рисунке 6,b представлено восстановленное изображение с дифракционного оптического элемента, содержащего только систему несущих полос. Такой дифракционный элемент также позволяет восстановить изображение объекта.

Однако в этом случае, как это отчетливо видно, в нулевом порядке дифракции отсутствует дифракционное гало, определяемое автокорреляцией распределения поля по объекту. Для создания такого элемента после нанесения системы полос на зарегистрированную спекл-картину, картина спеклов удалялась, а оставшаяся система полос фотографическим способом переносилась на фотопластинку в требуемом масштабе для получения голографически подобного дифракционного оптического элемента.

Для снижения затрат времени была создана компьютерная программа, где ручная обработка в пределах каждого спекла заменялась автоматической, но сдвиг полос при переходе к соседнему спеклу задавался пользователем, другими словами, пользователь определял соседние спеклы. Это автоматическое нанесение полос в пределах каждого спекла дало большой выигрыш в скорости.

Применялась бинарная цветовая гамма: красный цвет соответствовал фазе поля в спеклах – 0 рад, зеленый – рад. Затем программа автоматически определяла и наносила систему несущих интерференционных полос во всех отмеченных спеклах.

На рисунке 7 приведен результат численного Фурье-преобразования спеклограммы с системой несущих полос для объектов, имеющих осевую симметрию. Цифровой обработке подвергались приблизительно 2000 спеклов.

Рис. 7. Изображения: (a) – креста; (b) – квадрата; (c) – эллипса, получаемые при Фурьепреобразовании безопорных Фурье-спеклограмм с искусственно нанесенными системами несущих интерференционных полос и соответствующие объекты-транспаранты Изображения, приведенные на рисунке 7, показывают работоспособность вышеописанного цифрового алгоритма записи и восстановления изображений. На рисунке 8 показан результат численного восстановления изображений несимметричных объектов с использованием вышеописанного алгоритма. В дифракционных порядках на рисунке 8 распределения интенсивности не соответствуют изображениям объектов. Таким образом, подтверждается теоретическое положение о том, что для -коррелированного источника когерентного диффузно-рассеянного излучения разность фаз поля в дальней области дифракции в соседних спеклах равна радиан только для центральносимметричного объекта.

Особый интерес представляет случай записи объекта с незначительным нарушением симметрии. На рисунке 9, где представлен результат восстановления такого объекта, видно, что в целом предложенный алгоритм позволяет восстановить изображение объекта. Однако в восстановленном изображении наблюдается дополнение до симметричного вида – в изображении появилась деталь, симметрично расположенная детали, нарушающей симметрию в исходном объекте.

На рисунке 10 для сравнения приведен пример Фурье-преобразования спеклограммы с системой несущих полос без сдвига на половину периода при переходе между соседними спеклами. Как видно из рисунка, распределения интенсивности в первых порядках дифракции не соответствуют изображениям объекта, а представляет собой автокорреляцию распределения поля по объекту, как и в нулевом порядке дифракции.

Рис. 8. Распределения интенсивностей, полученные при Фурье-преобразовании искусственных безорпорных Фурье-спеклограмм объектов, не обладающих центральной симметрией четного порядка: (а) буква W, (b) буква F, (c) треугольник и объекты-транспаранты Рис. 9. Распределения интенсивностей, полученные при Фурье-преобразовании искусственной безорпорной Фурье-спеклограммы объекта с незначительным нарушением симметрии и объекттранспарант Именно сдвиг несущих полос на половину периода при переходе от спекла к спеклу обеспечивает формирование изображений объекта в первых порядках дифракции при Фурье-преобразовании спекл-картины с системой несущих полос.

На качество восстановленных изображений влияет множество факторов.

Графическая обработка спеклограммы с применения специальных программных средств сопровождается существенными ошибками при определении соседних областей в спекл-картине. Кроме того, главной причиной сложности определения соседних областей является то, в условиях реального эксперимента условие коррелированности источника когерентного диффузно-рассеянного излучения в полной мере не выполняется. Только для таких источников, как доказано теоретически, реализуется сдвиг фаз соседних спеклов строго на радиан. Тем не менее, на восстановленных изображениях на рисунках 6,7 в ± 1 порядках дифракции отчетливо видны восстановленные изображения объектов. Таким образом, в работе показана принципиальная возможность восстановления изображения объекта по спеклограмме его дифракционного поля.

• Проведены теоретические и экспериментальные исследования статистических свойств распределения фазы в развитом спекл-поле, формируемом в дальней зоне дифракции. Теоретически и экспериментально показано, что для объектов, обладающих вращательной симметрией четного порядка, представляющих собой -коррелированный рассеиватель, диффузно-рассеянное когерентное поле в дальней зоне дифракции представляет собой совокупность спеклов, в пределах каждого из которых фаза постоянна, а при переходе к соседнему меняется с наибольшей вероятностью на радиан.

• Разработан и экспериментально апробирован новый способ восстановления пространственного распределения фазы в дифракционном поле и, следовательно, изображения рассеивающего объекта по записи интенсивности его дифракционного поля для определенного класса объектов, обладающих вращательной симметрией четного порядка, для которых соотношение фаз дифракционного поля в соседних спеклах является детерминированным.

Экспериментально подтверждена работоспособность предложенного способа.

• Экспериментально подтверждена возможность восстановления изображений объектов, обладающих центральной симметрией четного порядка, по записи интенсивности дифракционного спекл-поля. Решена задача восстановления изображения для данного класса объектов по зарегистрированной интенсивности рассеянного поля.

• Исследована возможность применения разработанного метода: для восстановления изображений объектов, не обладающих центральной симметрией четного порядка; для восстановления изображений объектов, форма которых вообще не имеет симметрии; для случая, когда имеется незначительное нарушение центральной симметрии четного порядка. В восстановленном изображении объектов с частичным нарушением центральной симметрии наблюдался эффект дополнения до симметричного вида.

• Предложены алгоритмы моделирования голограммной структуры с использованием записи распределения интенсивности дифракционного поля объекта. Экспериментально получены цифровые Фурье-спеклограммы с искусственно нанесенной системой интерференционных полос без использования опорного пучка света на стадии регистрации.

• Получены голографически подобные дифракционные оптические элементы, позволяющие восстанавливать исходные изображения объектов, содержащие первоначально зарегистрированную спекл-картину и систему несущих полос, а также содержащие только систему несущих полос.

• Показано, что изображение, восстановленное с голограммы, можно представить как суперпозицию волн от элементарных ячеек, являющихся элементарными дифракционными решетками, которые представляют собой отдельные спеклы, промодулированные интерференционными полосами. Положение интерференционных полос внутри элементарной ячейки и положение самой ячейки определяют фазу элементарной волны, период полос – направление распространения элементарной волны, дифрагированной на данной ячейке.

Результаты работы позволяют расширить представления о ряде важных свойств диффузно-когерентного поля. На основе проведенных исследований возможна разработка новых методов и устройств голографической интерферометрии, спекл-интерферометрии, вычитания изображений для центрально-симметричных объектов, создание специальных дифракционных элементов.

Список работ, опубликованных по теме диссертации 1. Горбатенко Б.Б., Клименко И.С., Максимова Л.А., Рябухо В.П. Статистические свойства пространственного распределения фазы развитого спекл-поля // Письма в ЖТФ. - 1992. - Т. 18. - В. 2. - С. 28-28.

2. Gorbatenko B.B., Klimenko I.S., Maksimova L.A., Ryabukho V.P. Statistical properties of spatial phase distribution in developed speckle-field // In Proc. SPIE: Interferometry:

Techniques and Analysis. - V. 1755. - 1993. - P. 279-285.

3. Горбатенко Б.Б., Клименко И.С., Максимова Л.А., Рябухо В.П. О некоторых статистических свойствах разности фаз в развитом спекл-модулированном поле // Опт. и спектр. - 1995. - Т.78. - В.2. - С. 316-319.

4. Горбатенко Б.Б., Рябухо В.П., Максимова Л.А. Способ восстановления фазовой информации об объектном световом поле со спеклограммы. Матер. межд. конф.:

"Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении. - Саратов, Изд-во Сарат. ун-та, 2002, С.268.

5. Горбатенко Б.Б., Рябухо В.П., Максимова Л.А. Метод восстановления изображения предмета по спекл-структуре его дифракционного поля // Письма в ЖТФ, Т. 30, В. 17, 2004. С.68-75.

6. Горбатенко Б.Б., Рябухо В.П., Максимова Л.А. Статистические свойства разности фаз в спекл-модулированном поле и метод восстановления изображения предмета по спекл-структуре его дифракционного поля // Компьютерная оптика.

2004. В. 26. С.48-52.

7. Рябухо В.П., Горбатенко Б.Б, Максимова Л.А. Метод цифровой безопорной Фурье-голографии // Информационные технологии в науке, производстве и социальной сфере: Сб. науч. тр. / Под ред. акад. Ю.В. Гуляева. Саратов: Изд-во «Научная книга», 2005. С. 266-273.

8. Максимова Л.А. Реконструкция фазы поля по распределению его интенсивности и способ восстановления изображения с помощью цифровой Фурьеспеклограммы // Проблемы оптической физики: Материалы школы по оптике, лазерной физике и биофизике. - Саратов: Изд-во Сарат. Ун-та, 2005. C.111-115.

9. Горбатенко Б.Б., Рябухо В.П., Максимова Л.А. Реконструкция пространственного фазового распределения в дифракционном спекл-поле и восстановление изображения объекта по записи интенсивности // Опт. и спектр. - 2006. - Т.101. - №5. - С. 861-865.



 
Похожие работы:

«БАРИНОВ ВАЛЕРИЙ ЮРЬЕВИЧ ГОРЕНИЕ СВС-СОСТАВОВ В УСЛОВИЯХ КВАЗИСТАТИЧЕСКОГО СЖАТИЯ Специальность 01.04.17 – химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества. АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Черноголовка – 2013 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН Научный руководитель Доктор...»

«Манакова Алёна Юрьевна ИЗМЕРЕНИЕ НИЗКОЙ АЛЬФА-АКТИВНОСТИ МАТЕРИАЛОВ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ: МЕТОДИКА И ОБОРУДОВАНИЕ. Специальность 01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физики АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Ижевск – 2009 2 Работа выполнена ГОУ ВПО Удмуртский государственный университет Научный руководитель : кандидат технических наук, Буденков Бронислав Алексеевич Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук...»

«Бурмистрова Ангелина Владимировна Теоретический анализ транспорта зарядов и тепла в контактах с высокотемпературными железосодержащими сверхпроводниками Специальность 01.04.04 - физическая электроника Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва - 2013 Работа выполнена на кафедре атомной физики, физики плазмы и микроэлектроники физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Научный...»

«Токарев Илья Владимирович Нейтрино в движущихся замагниченных средах и новые астрофизические эффекты Специальность 01.04.02 – теоретическая физика Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва 2014 Работа выполнена на кафедре теоретической физики физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Научный руководитель : Студеникин Александр Иванович, доктор физико-математических наук,...»

«Газизулин Расул Рамилевич ИССЛЕДОВАНИЕ АНТИФЕРРОМАГНЕТИКА CsMnF3 МЕТОДАМИ МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА 01.04.07 – физика конденсированного состояния АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Казань – 2013 Работа выполнена в научно-исследовательской лаборатории магнитной радиоспектроскопии и квантовой электроники им. С.А. Альтшулера ФГАОУ ВПО Казанский (Приволжский ) федеральный университет Научный руководитель : доктор...»

«НИРОВ Хазретали Сефович КЛАССИФИКАЦИЯ, СИММЕТРИИ И РЕШЕНИЯ ТОДОВСКИХ СИСТЕМ Специальность: 01.04.02 теоретическая физика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Москва 2009 год Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте ядерных исследований РАН Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук профессор А. К. Погребков доктор физико-математических наук профессор Г. П. Пронько доктор...»

«КАРИМУЛЛИН Камиль Равкатович ДИНАМИКА ОПТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ ПРИМЕСНЫХ ЦЕНТРОВ В КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ И АМОРФНЫХ МАТРИЦАХ: ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДАМИ КОГЕРЕНТНОГО И НЕКОГЕРЕНТНОГО ФОТОННОГО ЭХА 01.04.05 – оптика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук КАЗАНЬ – 2009 2 Работа выполнена на кафедре оптики и нанофотоники Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Казанский государственный университет им....»

«Поликарпов Дмитрий Игоревич ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОННО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ НЕКОТОРЫХ ВИДОВ БОРОСОДЕРЖАЩИХ НАНОТРУБОК РАЗЛИЧНОЙ МОДИФИКАЦИИ Специальность: 01.04.10 Физика полупроводников Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва – 2014 Работа выполнена в федеральном государственном автономном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Волгоградский государственный университет...»

«НА ПРАВАХ РУКОПИСИ СМЕТАНИНА ЕВГЕНИЯ ОЛЕГОВНА СВЕТОВЫЕ ПУЛИ И СПЕКТР ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ФИЛАМЕНТАЦИИ В ПЛАВЛЕНОМ КВАРЦЕ Специальность 01.04.21 – лазерная физика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва – 2014 Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова Научный руководитель: доктор физико-математических наук,...»

«НЕМЫТОВ Петр Иванович СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ СЕРИИ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ УСКОРИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОНОВ С МОЩНОСТЬЮ ВЫВЕДЕННОГО ПУЧКА СОТНИ КИЛОВАТТ 01.04.20 – физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук НОВОСИБИРСК - 2010 Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН. НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ: КУКСАНОВ – доктор...»

«ЗАХАРОВА Людмила Николаевна МЕТОДЫ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ В ИССЛЕДОВАНИИ ХАРАКТЕРИСТИК ЗЕМНЫХ ПОКРОВОВ Специальность 01.04.03 — Радиофизика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учной степени кандидата физико-математических наук Фрязино – 2011 2 Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН (Фрязинский филиал) Научный руководитель : кандидат технических наук Захаров Александр Иванович...»

«Игумнов Владислав Сергеевич Вывод СВЧ энергии из резонатора управляемой трансформацией вида колебаний 01.04.20 физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Томск 2013 Работа выполнена в лаборатории 46 Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Национальный исследовательский Томский политехнический университет...»

«САВИНКОВ Андрей Владимирович ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОМ ЯМР/ЯКР НЕОДНОРОДНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАРЯДОВ И СПИНОВ В ПЛОСКОСТИ CuO2 КУПРАТНЫХ ОКСИДОВ ТИПА 123 Специальность 01.04.07 – физика конденсированного состояния Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Казань Работа выполнена на кафедре...»

«АХМЕДЖАНОВ Ринат Абдулхаевич Внутрирезонаторная и квантово-интерференционная лазерная спектроскопия газовых и конденсированных сред 01.04.21 – лазерная физика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Нижний Новгород – 2010 Работа выполнена в Институте прикладной физики Российской академии наук (г. Нижний Новгород) Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Кочаровский Владимир Владиленович...»

«ГНЕЗДИЛОВ ОЛЕГ ИВАНОВИЧ ИССЛЕДОВАНИЕ СПИН-ЗАВИСИМЫХ ФОТОИНДУЦИРОВАННЫХ ПРОЦЕССОВ В РАСТВОРАХ МЕТОДАМИ ЯМР И ЭПР СПЕКТРОСКОПИИ 01.04.17 - химическая физика, горение и взрыв, физика экстремальных состояний вещества АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Казань - 2011 Работа выполнена в отделе химической физики Учреждения Российской академии наук Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН Научный...»

«Брянцева Наталья Геннадьевна ФОТОПРОЦЕССЫ В СЕНСИБИЛИЗАТОРАХ НА ОСНОВЕ ЗАМЕЩЕННЫХ КУМАРИНА 01.04.05 - оптика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Томск – 2011 Работа выполнена на кафедре оптики и спектроскопии, в лаборатории фотофизики и фотохимии молекул физического факультета и в отделении Фотоника молекул Сибирского физико-технического института Томского государственного университета. Научный руководитель : доктор...»

«Рыскина Лилия Леонидовна ПРИМЕНЕНИЕ БРСТ-БФВ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ЛАГРАНЖЕВОЙ ФОРМУЛИРОВКИ В ТЕОРИИ МАССИВНЫХ ФЕРМИОННЫХ ПОЛЕЙ ВЫСШИХ СПИНОВ И ТЕОРИИ АНТИСИММЕТРИЧНЫХ БОЗОННЫХ И ФЕРМИОННЫХ ПОЛЕЙ. 01.04.02 Теоретическая физика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Томск – 2010 Работа выполнена на кафедре теоретической физики ГОУ ВПО Томский государственный педагогический университет Научный руководитель : доктор...»

«Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН (г. Новосибирск) Научный руководитель : доктор физико-математических наук, профессор Кабов Олег Александрович Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук, профессор Кузнецов Гений Владимирович Барташевич Мария Владимировна доктор технических наук Григорьева Нина Ильинична ДИНАМИКА И ТЕПЛООБМЕН В РУЧЕЙКОВЫХ ТЕЧЕНИЯХ И КАПЛЯХ ЖИДКОСТИ Ведущая...»

«верситета Нау чный руководитель: кандидат физико-математических наук, профессор Алешина Л. А. МЕЛЕХ НАТАЛЬЯ ВАЛЕРЬЕВНА Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук Сидоров Н. В. ИХТРЭМС Кольского научного центра РАН РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ кандидат физико-математических наук, доцент Вяжевич С. С....»

«Леонов Михаил Юрьевич НЕСТАЦИОНАРНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ПРОЦЕССОВ РЕЛАКСАЦИИ ЭЛЕКТРОННОЙ ПОДСИСТЕМЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КВАНТОВЫХ ТОЧЕК Специальность: 01.04.05 – Оптика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Санкт-Петербург – 2012 Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете...»






 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.