WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 14 | 15 ||

Спекл-модуляция изображения влияет на вид интерференционной картины, формируемой в методе цифровой голографической интерферометрии. Если период полос окажется приблизительно равным размеру спекла, то такие полосы будут практически неразрешимы. Кроме того, если объект между последовательными записями голограммы смещается на величину, превышающую размер спекла в изображении, то r rвозникает эффект декорреляции комплексных амплитуд полей U (0) и Uk (0), соответствующих этим положениям объекj та.

r Для распределения интенсивности I (0) в суммарном изображении jk аналогично уравнению (2) получаем:

r r r r I (0) = U (0)+Uk (0 - g)2 = jk j r r r r r r = I (0)+ Ik (0 - g)+ 2Aj(0)Ak (0 - g) j r r r r r r cos[ (0)- (0 - g)+ (0)-k (0, g)], (12) j r где g - вектор смещения точек поверхности объекта.

r В (12) предполагается, что в результате смещения g спекл-структура также смещается, но не претерпевает каких-либо других изменений. В зависиr r r мости фазы k (0, g) от g отражено изменение среднего фазового распределеr r ния поля (0) = (0) от величины смещения.

r r r r Если величина g превышает размер спеклов, то (0) (0 - g) и в (12) под косинуса оказывается случайная разность фаз r rзнаком r r (0) = (0)- (0 - g), которая разрушает детерминированное изменение косинуса и, следовательно, приводит к случайной зависимости третьего слагаемого в (12) от координат.

Это приводит к разрушению регулярной интерференционной картины в r r зависимости от фазового сдвига (0, g). В наибольшей степени на эффект jk разрушения интерференционной картины влияют поперечные смещения поr верхности, когда g перпендикулярен оси z. В этом случае средняя разность фаз r слабо зависит от g, что следует из уравнения (4), а эффект декорреляции, jk r наоборот, сильно зависит от g, поскольку в поперечном направлении спеклы имеют наименьший размер.

В продольном направлении спеклы имеют больший размер, поэтому норr мальное смещение g точек поверхности - вдоль оси z, практически не приводит к эффектам декорреляции спекл-структур – спекл-структуры обоих изображений совпадают. Поэтому в уравнении (12) можем положить Цифровая голографическая интерферометрия r r r (0) (0 - g) и под знаком косинуса случайные фазовые сдвиги вычитаr r ются и остается только детерминированная разность фаз (0, g).

jk В этом случае уравнение (12) можно переписать в виде:

r r r r I (0) 2I (0)[1+ cos( (0, g))], (13) jk j jk которое показывает, что спекл-структура отдельного изображения объекта r r r I (0) промодулирована осциллирующей функцией 2[1+ cos( (0, g))], j jk которая определяет картину интерференционных полос на фоне спеклмодулированного изображения.

r Из (13) следует, что если средний период изменения функции I (0), опj ределяющий размер спекла, равен периоду модулирующей функции – периоду интерференционных полос, то полосы перестают проявляться в изображении.

Фактически, в этом эффекте заложено ограничение на диапазон измеряеr r мых величин g, вернее, на величины изменения g по поверхности объекта, g x0 и g y0.

Оптические схемы записи цифровых голограмм в методе голографической интерферометрии Для реализации метода цифровой голографической интерферометрии могут быть использованы схемы записи голограмм в дифракционном поле – ближней или дальней областях дифракции, а также схема записи голограммы сфокусированного изображения. Поскольку на этапе восстановления предпочтительнее использовать быстрое преобразование Фурье, то и схема записи голограммы в дифракционном поле должна обеспечивать аналоговое оптическое преобразование Фурье. На рис. 5 представлены две схемы записи фурьеголограмм с различными способами формирования опорного пучка света.

На рис. 6 приведены схемы записи цифровой голограммы сфокусированного изображения с амплитудным делением лазерного пучка на опорный и объектный. В схеме на рис. 6а в опорном канале используется длиннофокусная линза L3 и плоское зеркало М2, тогда как в схеме на рис. 6б вместо этих оптических элементов используется сферическое зеркала SM.

В схеме записи голограммы сфокусированного изображения можно использовать и схему с делением расширенного лазерного пучка по волновому фронту, аналогичной схеме, приведенной на рис. 5б.

При записи цифровой голограммы сфокусированного изображения отсутствует необходимость численного дифракционного преобразования голограммы для восстановления комплексной амплитуды изображения поверхности объекта, поскольку это изображение на этапе записи голограммы совпадает с плоскостью ПЗС-матрицы.

Рябухо В.П., Перепелицына О.А., Горбатенко Б.Б., Максимова Л.А.

а) б) Рис. 5. Оптические схемы записи цифровых голограмм с формированием опорного пучка делением по амплитуде лазерного пучка (а) и делением расширенного лазерного пучка по волновому фронту (б): LR – лазер; BS – делитель; М1 и М2 – зеркала; L1 и L2 – собирающие линзы; SM – сферическое зеркало; ССD – ПЗС-камера; S – объект.

а) б) Рис. 6. Схемы записи цифровой голограммы сфокусированного изображения: LR – лазер; BS – делитель; М1 и М2 – плоские зеркала; L1, L2, L3 – собирающие линзы; SM – сферическое зеркало; OB – объектив; ССD – ПЗС-камера; S – объект Цифровая голографическая интерферометрия Особенности записи цифровых голограмм сфокусированных изображений обусловлены необходимостью разрешения спекл-структуры изображения объекта и голограммной интерференционной структуры, образованной опорной и предметной волнами.

Размеры спеклов в пространстве изображений определяются угловой апертурой 2s выходного пучка изображающей системы (объектива) L3, 2s. Следовательно, необходимо использовать малую апертурную диафрагму Da объектива, формирующего изображение рассеивающего объекта на ПЗС-матрице: 2s Da z, z Da, где z - расстояние от выходного зрачка объектива до изображения. При требовании 2l, где l - меж пиксельное расстояние ПЗС-матрицы, получаем z Da 2l Da z 2l при заданном коэффициенте уменьшения изображения = z z ( z - расстояние от объекта до объектива).

Необходимость малого угла падения опорного пучка на голограмму ограничивает возможные поперечные размеры объектива. В качестве объектива целесообразно использовать малоапертурную линзу-объектив без оправы, исправленную от сферических аберраций, с фокусным расстоянием f, обеспечивающим необходимый коэффициент уменьшения изображения, достаточный для фокусировки всего изображения объекта в апертуру ПЗС-камеры.

Еще одна особенность записи голограммы сфокусированного изображения связана с формированием в плоскости изображения объектного поля с деr r терминированным фазовым распределением (0) = 0, обусловленным z влиянием фокусирующих свойств объектива. Для компенсации влияния этого фазового распределения с целью формирования голографической интерференционной структуры с минимально возможной пространственной частотой опорная волна должна иметь приблизительно такое же фазовое распределение.

Для этого достаточно сфокусировать опорную волну в плоскость зрачка линзыобъектива L3, формирующей изображение объекта на ПЗС-камере, как это показано на рис. 6.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Приборы и принадлежности: виброзащитный стенд для голографических и интерференционных исследований, He-Ne лазер, делитель пучка, микрообъективы и линзы для расширения лазерного пучка, светофильтры, поляроид, плоские и сферические металлизированные зеркала, прецизионные механические устройства для крепления и юстировки оптических элементов в голографической схеме, объекты со специальными устройствами для пространственного смещения или изменения формы (деформации) объекта для записи их голографических изображений и формирования голографических изображенийинтерферограмм, ПЗС-камера, компьютер.

Рябухо В.П., Перепелицына О.А., Горбатенко Б.Б., Максимова Л.А.

Задание 1. Разработка оптической схемы записи цифровых фурьеголограмм для реализации метода цифровой голографической интерферометрии и расчет параметров схемы 1. Изучить по описанию к ПЗС-камере ее характеристики и параметры, условия эксплуатации, программные возможности, программный интерфейс.

2. Рассчитать максимально возможный угол падения опорного пучка на ПЗС-матрицу, принимая во внимание величину межпиксельного расстояния матрицы.

3. Определить максимально возможный угловой размер объекта для записи его фурье-голограммы и возможное его положение относительно плоскости записи ПЗС-матрицы.

4. Спроектировать схему записи цифровой фурье-голограммы, ориентируясь на схемы, приведенные на рис. 5, исходя из возможности разрешения ПЗС-матрицей голограммной структуры – картины интерференции объектной и опорной волн, и с учетом возможного расположения оптических элементов схемы на рабочей поверхности виброзащитного стенда.

5. Согласовать эскиз спроектированной схемы с преподавателем.

6. Собрать схему записи цифровой фурье-голограммы рассеивающего объекта.

Задание 2. Запись серии цифровых фурье-голограмм объекта, соответствующих различным пространственным положениям поверхности объекта, и численное восстановление голографических изображенийинтерферограмм 1. Проверить соединение ПЗС-камеры с компьютером через специальный кабель.

2. Включить компьютер и запустить специализированную программу записи кадров цифровых изображений с ПЗС-камеры.

3. Используя интерфейс программы ПЗС-камеры, установленной в схеме записи цифровой голограммы, произвести настройку режима записи голограммы при засветке матрицы камеры одновременно объектным и опорным полями.

4. Записать серию кадров цифровых голограмм объектного поля, соответствующих различным пространственным положениям объекта - при деформации его поверхности под действием сосредоточенной силы (деформация прогибы мембраны) или при повороте объекта вокруг оси, лежащей в плоскости его поверхности. Для создания деформации или поворота использовать специальные устройства. Голограммы записать в форме граЦифровая голографическая интерферометрия фического файла на жесткий диск компьютера в директорию (папку), выделенную преподавателем для выполнения данной лабораторной работы.

5. Используя специализированную компьютерную программу обработки цифровых изображений, основанную на алгоритме быстрого преобразования Фурье, произвести численную обработку файлов цифровых голограмм и восстановить голографические изображения-интерферограммы, отражающие пространственные изменения объекта.

6. Записать программно восстановленные изображения-интерферограммы объекта в отдельные файлы в графическом формате.

7. Используя формулу (5), произвести обработку изображенийинтерферограмм с целью определения величины смещения объекта r r r g(0)= g0(x0, y0) между двумя кадрами записанных голограмм. Построr ить график зависимости величины смещения g0(x0, y0) от координаты x0 или y0.

Задание 3. Запись серии цифровых голограмм сфокусированного изображения объекта, соответствующих различным пространственным положениям объекта, и численное восстановление голографических изображенийинтерферограмм Следуя пунктам выполнения задания 2 экспериментально реализовать метод цифровой голографической интерферометрии сфокусированного изображения объекта при деформации его поверхности под действием сосредоточенной силы (деформация прогибы мембраны) или при повороте объекта вокруг оси, лежащей в плоскости его поверхности.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ 1. Дать определение методу оптической голографической интерферометрии.

2. В чем состоит принципиальное отличие методов аналоговой и цифровой голографической интерферометрии 3. Нарисовать схему записи цифровых фурье-голограмм и проанализировать алгоритмы восстановления цифровых изображенийинтерферограмм.

4. Записать уравнение для распределения интенсивности в восстановленном голографическом изображении-интерферограмме.

5. Каким образом спекл-эффект влияет на параметры разрешения восстановленного изображения-интерферограммы 6. Какими параметрами схемы записи и ПЗС-матрицы ограничивается пространственное разрешение изображения, восстановленного с цифровой фурье-голограммы Рябухо В.П., Перепелицына О.А., Горбатенко Б.Б., Максимова Л.А.

7. Записать уравнение для разности фаз объектных полей, соответствующих различным пространственным положениям поверхности объекта.

8. Записать уравнение для расчета величины смещения точек поверхности по параметрам голографического изображения-интерферограммы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. / Пер. с англ. М.:

Мир, 1973. - 688 с.

2. Гудмен Дж. Введение в фурье-оптику. / Пер. с англ. М.: Мир, 1970. - с.

3. Островский Ю.И., Бутусов М.М., Островская Г.В. Голографическая интерферометрия. – М.: Наука, 1977. – 336 с.

4. Джоунс Р., Уайкс К. Голографическая и спекл-интерферометрия. Пер. с англ. – М.: Мир, 1986. – 328с.

5. Локшин Г.Р. Основы радиооптики. – М.: Интеллект, 2009. - 344 с.

6. Голубенцева Л.И., Рябухо В.П., Перепелицына О.А. Специальный оптический практикум: Голографическая и спекл-интерферомерия: Учебное пособие. Под ред. В.П.Рябухо. – Саратов, 2009. – 69 с. // http://library.sgu.ru/uch_lit/2.pdf.

7. Голубенцева Л.И., Рябухо В.П., Перепелицына О.А. Специальный оптический практикум: Оптическая голография: Учебное пособие. Под ред.

В.П.Рябухо. – Саратов, 2009. – 117 с. // http://library.sgu.ru/uch_lit/3.pdf.

СПИСОК ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Балтийский С.А., Гуров И.П., Де Никола С., Коппола Д., Ферраро П. Современные методы цифровой голографии. - В кн.: Проблемы когерентной и нелинейной оптики /Под ред. И.П. Гурова и С.А. Козлова. - СПб:

СПбГУ ИТМО. 2004. C. 91-117.

2. Schnars U., Jueptner W. Digital holography. Digital hologram recording, numerical reconstruction and related techniques. - Springer Verlag, 2004. - 164 p.

3. Франсон М. Оптика спеклов. Пер. с англ. – М.: Мир, 1980. – 171с.

4. Клименко И.С. Голография сфокусированных изображений и спеклинтерферометрия. – М.: Наука, 1985. – 224 с.

5. Рябухо В.П. Спекл-интерферометрия. Соросовский образовательный журнал. – 2001. Т.7. №5. С.102–109.

Pages:     | 1 |   ...   | 14 | 15 ||










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

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.