ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ РЕГИСТРАЦИИ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ГОЛОГРАММ ЧАСТИЦ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1 РЕГИСТРАЦИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ ГОЛОГРАМ ЧАСТИЦ 8
1.1 Осевая схема (схема Г абора) 8
1.2 Внеосевая схема (схема Лейта и Упатниекса) 9
1.3 Цифровая голография. Преимущества, недостатки и особенности.. 11
2 МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ И ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ ИЗ
ЦИФРОВЫХ ГОЛОГРАММ ЧАСТИЦ 13
2.1 Математическое описание алгоритма записи и восстановления
цифровых голограмм 13
2.1.1 Метод быстрого преобразования Фурье 16
2.1.2 Метод свёртки 17
2.1.3 Метод на основе прямого расчета дифракционного
интеграла 18
2.1.4 Сравнение представленных методов восстановления
цифровых голограмм 19
2.2 Методы определения плоскости наилучшей фокусировки 21
2.3 Методы обработки и повышения качества восстановленных
голографических изображений 27
3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ РЕГИСТРАЦИИ И
ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ГОЛОГРАММ ЧАСТИЦ 32
3.1 Структура исследования 33
3.2 Лабораторный эксперимент 33
3.3 Численный эксперимент 39
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 44
Список использованных источников 45
1 РЕГИСТРАЦИЯ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ ГОЛОГРАМ ЧАСТИЦ 8
1.1 Осевая схема (схема Г абора) 8
1.2 Внеосевая схема (схема Лейта и Упатниекса) 9
1.3 Цифровая голография. Преимущества, недостатки и особенности.. 11
2 МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ И ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ ИЗ
ЦИФРОВЫХ ГОЛОГРАММ ЧАСТИЦ 13
2.1 Математическое описание алгоритма записи и восстановления
цифровых голограмм 13
2.1.1 Метод быстрого преобразования Фурье 16
2.1.2 Метод свёртки 17
2.1.3 Метод на основе прямого расчета дифракционного
интеграла 18
2.1.4 Сравнение представленных методов восстановления
цифровых голограмм 19
2.2 Методы определения плоскости наилучшей фокусировки 21
2.3 Методы обработки и повышения качества восстановленных
голографических изображений 27
3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ПАРАМЕТРОВ РЕГИСТРАЦИИ И
ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ГОЛОГРАММ ЧАСТИЦ 32
3.1 Структура исследования 33
3.2 Лабораторный эксперимент 33
3.3 Численный эксперимент 39
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 44
Список использованных источников 45
Голография - это интерференционный метод записи и восстановления волновых фронтов [1].
Первым идею голографии сформулировал Деннис Габор в 1947 году, работая над усовершенствованием электронного микроскопа. Его оптические опыты положили начало голографии. Большой вклад в развитие голографии внесли американские физики Эмметт Лейт и Юрис Упатниекс, которые впервые использовали лазер для записи голограмм, а также изобрели внеосевую схему записи голограмм. Позднее советский ученый Юрий Николаевич Денисюк изобрел схему регистрации голограмм, с помощью которой можно получать цветные голограммы, которые можно наблюдать без освещения опорной волной. В 1962 году Денисюк показал возможность восстановления голограммой, зарегистрированной в трехмерной среде, не только амплитуды и фазы волны, но также и ее спектрального состава [2].
Голографические методы нашли широкое применение в различных областях науки и техники. Они применяются в художественной голографии, для защиты лицензионной продукции от подделок (кредитные карточки, удостоверения, одежда), в системах голографической памяти и т.д. [3]. Кроме того голография применяется в голографических оптических элементах, а именно: в голографических дифракционных решетках, линзах, зеркалах и фильтрах [4].
Цифровая голография, в том числе, имеет широкое практическое применение:
- в медицине применяется цифровая голографическая микроскопия для изучения процессов в живых клетках, изучение раковых клеток и клеток крови, отслеживание движения частиц в трехмерном пространстве [5,6];
- в метеорологии цифровая голография применяется, например, для регистрации снежинок и моделирования их движения в пространстве (эти данные используются для предсказания погоды);
- исследование органической взвеси (планктон) в воде. Все эти данные необходимы для изучения экологического состояния в акватории [7].
По сравнению с фотографией голограмма содержит полную информацию о зарегистрированном объекте, т.е. не только информацию об амплитуде зарегистрированной волны, но и об её фазе.
Метод получения информации с помощью голограммы является двухэтапным. На первом этапе происходит формирование картины интерференции волн, дифрагировавших на объекте, и её регистрация на светочувствительном элементе. На втором - считывание информации с голограммы, которое происходит за счёт освещения голограммы опорным пучком и называется этапом восстановления.
В цифровой голографии процесс регистрации голограмм происходит на матричный приёмник, например ПЗС-камеру, а восстановление цифровых голограмм выполняется численно при помощи ЭВМ, оснащенных специализированным программным обеспечением [8]. В фотоголографии, в отличие от цифровой голографии, в качестве светочувствительного элемента обычно используется фотоматериал.
При регистрации голограммы осуществляется запись на светочувствительный элемент интерференционной картины волн, дифрагировавших на объекте. Волна, которая рассеялась на исследуемом объекте, называется предметной. Волна, падающая на фотоприёмник напрямую, называется опорной. Картина интерференции этих волн и регистрируется на светочувствительном элементе.
Для восстановления голограммы необходимо осветить её опорной волной. Во время восстановления голограммы происходит дифракция на зарегистрированной картине интерференции. В случае идеальной записи голограммы, за ней распространяются три волны, формирующие фон, действительное и мнимое изображения. Восстановления в цифровой голографии происходит численно, т.е. процесс дифракции на голограмме описывается математически.
Помимо записи различных предметов, голографические методы также позволяют регистрировать микрочастицы различной формы и размеров. Это применяется в различных прикладных задачах для изучения микрообъектов.
Дополнительное преимущество цифровой голографии заключается в возможности исследовать движение частицы в динамике, с помощью голографического видео. Для этого записывается и восстанавливается серия голограмм. Затем восстановленные изображения, соответствующие плоскости наилучшей фокусировки, сшиваются вместе в видеофайл. С помощью такого видео можно определить вектор скорости и трехмерную траекторию движения отдельных частиц.
Наиболее важной информацией, извлекаемой из цифровых голограмм частиц, является информация об их форме, размере и пространственном положении. Зная эти параметры можно получить интегральные характеристики объема с частицами (распределение частиц по формам, размерам, положение в пространстве, концентрация частиц в слоях и т.д.). Поэтому нужно точно определять размеры и пространственное положение частиц.
При различии параметров записи и восстановления цифровых голограмм (длина волны, форма волнового фронта) размеры и пространственные положения самих объектов и их восстановленных изображений могут существенно отличаться. Поэтому важно исследовать, как влияет форма волнового фронта на этапе регистрации голограммы на размер и пространственное положение отдельной частицы, определяемой по восстановленному изображению.
Цель данной работы заключается в изучении зависимости изменения (несовпадения) размеров и пространственного положения самих частиц и их восстановленных из голограммы изображений от радиуса кривизны волнового фронта и расстояния регистрации.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
- выполнение численного эксперимента по регистрации и восстановлению цифровых голограмм частиц при различных параметрах регистрации и восстановления
- проведение лабораторного эксперимента по регистрации и восстановлению цифровых голограмм частиц при различных параметрах регистрации и восстановления
- интерпретация результатов и подготовка бакалаврской работы.
Первым идею голографии сформулировал Деннис Габор в 1947 году, работая над усовершенствованием электронного микроскопа. Его оптические опыты положили начало голографии. Большой вклад в развитие голографии внесли американские физики Эмметт Лейт и Юрис Упатниекс, которые впервые использовали лазер для записи голограмм, а также изобрели внеосевую схему записи голограмм. Позднее советский ученый Юрий Николаевич Денисюк изобрел схему регистрации голограмм, с помощью которой можно получать цветные голограммы, которые можно наблюдать без освещения опорной волной. В 1962 году Денисюк показал возможность восстановления голограммой, зарегистрированной в трехмерной среде, не только амплитуды и фазы волны, но также и ее спектрального состава [2].
Голографические методы нашли широкое применение в различных областях науки и техники. Они применяются в художественной голографии, для защиты лицензионной продукции от подделок (кредитные карточки, удостоверения, одежда), в системах голографической памяти и т.д. [3]. Кроме того голография применяется в голографических оптических элементах, а именно: в голографических дифракционных решетках, линзах, зеркалах и фильтрах [4].
Цифровая голография, в том числе, имеет широкое практическое применение:
- в медицине применяется цифровая голографическая микроскопия для изучения процессов в живых клетках, изучение раковых клеток и клеток крови, отслеживание движения частиц в трехмерном пространстве [5,6];
- в метеорологии цифровая голография применяется, например, для регистрации снежинок и моделирования их движения в пространстве (эти данные используются для предсказания погоды);
- исследование органической взвеси (планктон) в воде. Все эти данные необходимы для изучения экологического состояния в акватории [7].
По сравнению с фотографией голограмма содержит полную информацию о зарегистрированном объекте, т.е. не только информацию об амплитуде зарегистрированной волны, но и об её фазе.
Метод получения информации с помощью голограммы является двухэтапным. На первом этапе происходит формирование картины интерференции волн, дифрагировавших на объекте, и её регистрация на светочувствительном элементе. На втором - считывание информации с голограммы, которое происходит за счёт освещения голограммы опорным пучком и называется этапом восстановления.
В цифровой голографии процесс регистрации голограмм происходит на матричный приёмник, например ПЗС-камеру, а восстановление цифровых голограмм выполняется численно при помощи ЭВМ, оснащенных специализированным программным обеспечением [8]. В фотоголографии, в отличие от цифровой голографии, в качестве светочувствительного элемента обычно используется фотоматериал.
При регистрации голограммы осуществляется запись на светочувствительный элемент интерференционной картины волн, дифрагировавших на объекте. Волна, которая рассеялась на исследуемом объекте, называется предметной. Волна, падающая на фотоприёмник напрямую, называется опорной. Картина интерференции этих волн и регистрируется на светочувствительном элементе.
Для восстановления голограммы необходимо осветить её опорной волной. Во время восстановления голограммы происходит дифракция на зарегистрированной картине интерференции. В случае идеальной записи голограммы, за ней распространяются три волны, формирующие фон, действительное и мнимое изображения. Восстановления в цифровой голографии происходит численно, т.е. процесс дифракции на голограмме описывается математически.
Помимо записи различных предметов, голографические методы также позволяют регистрировать микрочастицы различной формы и размеров. Это применяется в различных прикладных задачах для изучения микрообъектов.
Дополнительное преимущество цифровой голографии заключается в возможности исследовать движение частицы в динамике, с помощью голографического видео. Для этого записывается и восстанавливается серия голограмм. Затем восстановленные изображения, соответствующие плоскости наилучшей фокусировки, сшиваются вместе в видеофайл. С помощью такого видео можно определить вектор скорости и трехмерную траекторию движения отдельных частиц.
Наиболее важной информацией, извлекаемой из цифровых голограмм частиц, является информация об их форме, размере и пространственном положении. Зная эти параметры можно получить интегральные характеристики объема с частицами (распределение частиц по формам, размерам, положение в пространстве, концентрация частиц в слоях и т.д.). Поэтому нужно точно определять размеры и пространственное положение частиц.
При различии параметров записи и восстановления цифровых голограмм (длина волны, форма волнового фронта) размеры и пространственные положения самих объектов и их восстановленных изображений могут существенно отличаться. Поэтому важно исследовать, как влияет форма волнового фронта на этапе регистрации голограммы на размер и пространственное положение отдельной частицы, определяемой по восстановленному изображению.
Цель данной работы заключается в изучении зависимости изменения (несовпадения) размеров и пространственного положения самих частиц и их восстановленных из голограммы изображений от радиуса кривизны волнового фронта и расстояния регистрации.
Для достижения цели поставлены следующие задачи:
- выполнение численного эксперимента по регистрации и восстановлению цифровых голограмм частиц при различных параметрах регистрации и восстановления
- проведение лабораторного эксперимента по регистрации и восстановлению цифровых голограмм частиц при различных параметрах регистрации и восстановления
- интерпретация результатов и подготовка бакалаврской работы.
В данной работе рассмотрены основные методы регистрации и восстановления голограмм, исследован математический алгоритм записи и восстановления цифровых голограмм, а также проведено сравнение представленных методов их восстановления. Рассмотрены методы повышения качества восстановленного изображения и методы определения плоскости наилучшей фокусировки.
В работе выполнен лабораторный эксперимент по записи и восстановлению серии цифровых голограмм модельных частиц. Для каждой голограммы приведены расстояния регистрации и восстановления. Проведен численный эксперимент по регистрации и восстановлению серии цифровых голограмм. Произведено сравнение результатов двух экспериментов.
На основании проведённых исследований можно сделать следующие выводы:
1. при использовании сферического волнового фронта происходит изменение размеров частиц и положения ПНФ;
2. с увеличением расстояния регистрации увеличивается различие между расстоянием регистрации и расстоянием восстановления;
3. с увеличением расстояния регистрации увеличивается и расхождение между численным и лабораторным экспериментами;
4. схожесть экспериментальных и расчётных результатов позволяет утверждать, что выбранная модель корректно описывает процесс регистрации цифровых голограмм при использовании сферического волнового фронта.
Данная работа была представлена на V международной конференции по фотонике и информационной оптике и опубликована в сборнике трудов [23].
В работе выполнен лабораторный эксперимент по записи и восстановлению серии цифровых голограмм модельных частиц. Для каждой голограммы приведены расстояния регистрации и восстановления. Проведен численный эксперимент по регистрации и восстановлению серии цифровых голограмм. Произведено сравнение результатов двух экспериментов.
На основании проведённых исследований можно сделать следующие выводы:
1. при использовании сферического волнового фронта происходит изменение размеров частиц и положения ПНФ;
2. с увеличением расстояния регистрации увеличивается различие между расстоянием регистрации и расстоянием восстановления;
3. с увеличением расстояния регистрации увеличивается и расхождение между численным и лабораторным экспериментами;
4. схожесть экспериментальных и расчётных результатов позволяет утверждать, что выбранная модель корректно описывает процесс регистрации цифровых голограмм при использовании сферического волнового фронта.
Данная работа была представлена на V международной конференции по фотонике и информационной оптике и опубликована в сборнике трудов [23].
