Виды обработки оптических полей

Как научное направление, обработка оптических полей соприкасается с многими ветвями информационных и компьютерных наук - с распознаванием образов, искусственным интеллектом, компьютерным зрением, телевидением, интроскопией, акустоскопией, радиоголографией, томографией. Задачи, решаемые в рамках данного направления, можно классифицировать следующим образом.

Cинтез изображений по сигналам, получаемым с датчиков физических полей. Задача цифровой обработки сигналов датчиков, направленная на их преобразование в форму, пригодную для визуализации. Сюда, например, относится томографический синтез, цифровое восстановление акустических и радиоголограмм, формирование изображений в оптических и других системах с кодированной апертурой и т.д.

Коррекция искажений. Задача компьютерной обработки искаженного изображения или сигнала, направленная на получение изображения (сигнала), соответствующего выходу идеальной изображающей системы. Такова, например, обработка изображения для повышения его резкости и подавления случайных помех.

Препарирование изображений. Идеальная изображающая система не обязательно дает изображение, наилучшим образом отвечающее требованиям конкретной задачи визуального анализа и выделения информации, поскольку требования к идеальным характеристикам практически являются компромиссом между требованиями широкого класса задач. Для отдельных конкретных задач могут потребоваться дополнительные преобразования сигнала, облегчающие визуальный анализ путем подчеркивания одних особенностей и деталей изображения и устранения других, изменения пространственных соотношений, измерения и визуализации количественных характеристик и т.п. Такие преобразования, являющиеся инструментом визуального анализа изображений профессиональным пользователем-экспертом в конкретной области применения данной визуальной информации, и называются препарированием изображения. Существенная особенность препарирования изображения - диалоговый режим обработки под управлением и наблюдением пользователя, неформализованный опыт и знания которого как бы включаются при этом в систему обработки.

Характерной особенностью препарирования изображения является также то, что в работу пользователю-эксперту предлагается для сравнительного анализа не само исходное (скорректированное) изображение, а варианты в виде цветных, стереоскопических, подвижных (анимационные) изображений объекта исследования по результатам выявления существенных признаков.

Кодирование изображений. Это вид обработки, при котором осуществляется преобразование оптических сигналов и изображений в форму, удобную для передачи по каналам связи и архивного хранения. Важной составной частью кодирования является, в частности, сжатие данных, т.е. кодирование, снижающее требования к пропускной способности каналов связи и емкости запоминающих устройств.

Измерение изображений полей. Под этой задачей подразумевается обработка оптических сигналов, в результате которой получаются количественные данные, предназначенные для принятия решений и управления автоматическими исполнительными механизмами.

Последний тип обработки оптических полей является необходимым атрибутом различных автоматизированных измерительных систем. [9]

Обработка изображений

Все предлагаемые процедуры обработки изображений можно разбить на две группы. К первой относятся операции изменения яркости и контрастности изображений, а также проведение бинаризации и просмотр отдельных структурных фрагментов. Чаще всего указанные операции осуществляются на предварительной стадии обработки оптических полей. Ко второй группе относятся операции, обеспечивающие определение характеристик оптических полей. С их помощью определяются следующие характеристики.

1. Статистика точек введенного изображения по их интенсивности.

2. Распределение интенсивности по сечению пучка, профили пучка, поперечные размеры пучка.

3. Среднее значение интенсивности <I> по заранее заданной площади на приемной апертуре оптической системы.

4. Относительная дисперсия флуктуаций интенсивности

где распределение интенсивности в сечении светового пучка в декартовых координатах.

5. Координаты центра тяжести пучка:

где - координаты границы рабочего поля обработки.

Двумерный коэффициент автокорреляции интенсивности:

гдекоординаты в поперечном сечении;

и тот же коэффициент в одномерном выражении:

Физический смысл функции R(r) - степень зависимости значения в двух точках, разделенных расстоянием r. Значение функции нормировано, то есть, ее максимум равен единице. Максимум этот достигается в точке r=0 (по определению), а также на таких значениях r, на которых поле не изменяется. Когда значение R убывает до величины, близкой к нулю, это означает, что на таких расстояниях значения поля не коррелируют, то есть, успевают измениться достаточно сильно.

6. Радиус зоны корреляции интенсивности - значение аргумента , при котором .

7. Пространственные Фурье-спектры распределения интенсивности и характерные пространственные частоты по горизонтали fг и по вертикали fв. Процедура расчета пространственных Фурье-спектров распределения интенсивности основывается на типовом дискретном преобразовании Фурье. Спектры могут характеризовать распределение интенсивности в любом заранее заданном скане сечения лазерного пучка, кроме того, может быть рассчитан усредненный по системе сканов фурье-спектр. По виду рассчитанных спектров можно определить характерные пространственные частоты по горизонтали fг и по вертикали fв.

8. Количество и площадь выбросов интенсивности - таких участков обрабатываемого светового поля, интенсивность которых превосходит заранее задаваемый уровень.

9. Фрактальную размерность структуры светового пучка. [9]

4. Виды голограмм

4.1 Мультикомплексные голограммы

Мультикомплексной называют такую голограмму, на которой одновременно записано много изображений, либо раздельно записаны отдельные части одного изображения, либо единственное изображение записано несколько раз.

Пространственное мультиплексирование

При решении задачи хранения данных для записи многих голограмм можно использовать единственную фотопластинку или какой-либо иной материал, причем каждая голограмма может независимо восстанавливать изображения, записанных на ней данных. При этом голограммы могут образовывать решетку типа шахматного поля, а для считывания изображения с каждой голограммы лазерный луч сканирует по решетке.

Встречается и другой способ пространственного разделения голограммы, когда одна и та же объектная волна или волна от одного и того же объекта, но с разных ракурсов записывается на голограмме в виде полос. В первом случае полосковая голограмма просто повторно записывается много раз, так чтобы можно было восстановить изображение со всей голограммы. Второй случай имеет место при записи синтезированных голограмм для целей отображения информации.

Составные изображения

Под составными голограммами имеются в виду голограммы, которые формируют изображения, состоящие из отдельных частей каждая из которых была записана самостоятельно.

4.2 Голограммы, записанные с помощью сканирующего источника света

При регистрации таких голограмм используется либо сканирующий пучок света для освещения объекта, либо сканирующий опорный пучок для освещения голограммы.

Сканирующий объектный пучок

Иногда сечение освещающего объект пучка уменьшается в такой степени, что он не может больше освещать весь объект одновременно, а должен сканировать по объекту. В результате формируется много экспозиционная голограмма, в которой изображение каждого из освещаемых пучком участков объекта регистрируется отдельно.

Если размеры объекта велики, можно сузить освещающий объект пучок и заставить его сканировать по объекту, так чтобы на голограмму падала объектная волна большей яркости. Это позволит уменьшить время экспозиции, необходимое для записи голограммы рассматриваемой части объекта. Полную экспозицию уменьшить нельзя.

Недостатком использования голографической системы со сканированием помимо необходимости использовать более сложное оборудование является также уменьшение дифракционной эффективности голограммы.

Это уменьшение связано с увеличением: фоновой экспозиции, которая возникает при записи с многократной экспозицией.

Сканирующий опорный пучок

В случае сканирования опорным пучком объект освещается целиком, но при этом опорный пучок сканирует по голограмме. Следовательно, можно увеличить полную интенсивность света, падающего на часть голограммы, и уменьшить время экспозиции для части голограммы.

Это позволяет голографировать объекты, имеющие движение в ограниченных пределах.

Однако такой метод приводит к уменьшению дифракционной эффективности, что объясняется увеличением энергии опорного пучка по отношению к объектному.

4.3 Цветные голограммы

Цветными называют голограммы, способные воспроизводить цветные изображения.

В сущности, цветные голограммы - это мультиплексные голограммы, восстанавливающие перекрывающиеся изображения, каждое в своем цвете. Как и в случае мультиплексных голограмм, возникают различные проблемы в зависимости от того используются ли тонкие, т. е. поверхностные, голограммы или регистрирующая среда имеет заметную толщину.

Голограммы, записанные на тонком материале, восстанавливают многократно повторяющиеся изображения, которые соответствуют многим дифракционным порядкам. Голограммы, записанные в толстой среде из-за усадки или набухания эмульсии могут не восстанавливаться освещением с исходной длиной волны. Если, например, рассматривать красные и белые изображения, то в противоположность черным и белым необходимо учитывать эффекты дисперсии. [3]

4.4 Голограммы, восстанавливаемые в белом свете

Голограмма представляет собой закодированную дифракционную решетку.

Следовательно, когда голограмма освещается белым светом, волны с большими длинами волн отклоняются сильнее от оси, освещающей голограмму волны, чем волны с более короткими длинами волн. В результате этого восстановленное изображение; смазывается. Такой эффект можно отчасти скомпенсировать, используя дифракционную решетку с шагом штриха, равным среднему периоду интерференционных полос на голограмме. Изложенные выше соображения применимы к тонким голограммам. Объемные голограммы обладают избирательностью по отношению к длине волны и будут отражать или пропускать только узкую полосу длин волн, обусловленную эффектом Брэгга. [7]

5. Применения голографии

5.1 Применение голографии в технологии и оптотехнике

В ряде технологических процессов можно использовать образуемые голограммами действительные изображения. При просвечивании голограмм мощным лазером можно наносить на обрабатываемые поверхности сложные узоры. В частности, голограммы уже применялись для бесконтактного нанесения микроэлектронных схем. Основные преимущества голографических методов перед обычными - контактными или проекционными - достижение практически безаберрационного изображения на большом поле. Предел разрешения голограммы может достигать долей длины световой волны. На изображение практически не влияют пылинки, осевшие на голограмму, царапины и другие дефекты, в то время как для контактных или проекционных фотошаблонов это приводит к браку.

Другое применение голограммы в технологии - использование ее в качестве линзы. Фокусирующие свойства зонных решеток известны давно. Однако применение решеток ограничивалось трудностями их изготовления. Голографические зонные решетки - голограммы точечного источника - просты в изготовлении и несомненно будут полезны в лазерной технологии. Например, с помощью голографических линз получали отверстия диаметром до 14 мкм в танталовой пленке, нанесенной на стекло. Голографические решетки совсем не имеют ошибок, свойственных обычным решеткам, нарезанным на делительной машине.

5.2 Голографическое хранение данных

Идея голографических носителей заключается в записи информации с помощью лазерного луча на трехмерную подложку, вместо нескольких гигабайт, такая среда могла потенциально сохранять терабайты данных на носителе не больший чем компакт-диск. Голографические данные могут считываться на очень высоких скоростях.

На первых стадиях разработки главной проблемой было создание пространственных модуляторов света (spatiallightmodulator). В настоящее время технология этих устройств в достаточной степени отработана, а наиболее сложной задачей стал подбор вещества-носителя информации. В январе 2001 года компания Lucent сообщила о создании носителя, способного выдержать до 1000 циклов перезаписи без ущерба сохранности данных и скорости доступа к ним. Внешне носитель напоминает прозрачный компакт-диск. По данным Imation первые голографические диски могут хранить около 125 Гб информации, а скорость передачи данных составляет до 30 Мб/с.

Заключение

Таким образом, согласованные усилия многих исследователей позволили накопить ряд сведений и фактов о свойствах голограмм. Оказывается, что материализованная объемная картина волн интенсивности способна воспроизводить волновое поле со всеми его параметрами - амплитудой, фазой, спектральным составом, состоянием поляризации и даже с изменениями этих параметров по времен.

Однако общая картина этого явления пока еще далека от завершения. И дело здесь не только в том, что в ряде случаев мы не знаем полностью набор отображающих свойств некоторых видов голограмм. Есть все основания считать, что будут открыты новые неожиданные оптические свойства голограмм.

Вполне вероятно, что ряд новых эффектов будет обнаружен при применении светочувствительных материалов, обладающих специфическими свойствами, подобно тому, как применение резонансных и поляризационных сред открыло возможность записи временных и поляризационных характеристик волновых полей. И наконец, прецедент объединения голографии и нелинейной оптики в динамическую голографию показывает, что внесение идей голографии в смежные с ней области знаний может привести к появлению совершенно новых направлений.

Список используемых источников

1. Шушурин С.Ф. Успехи физических наук, т. 105, вып. 1, 1971. с. 145 - 148.

2. https://ru.wikipedia.org/wiki

3. Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. - М.: Мир, 1973. 686 с.

4. Корешев С.Н. Основы голографии и голограммной оптики: Учебное пособие. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. 97 с.

5. Ландсберг Г.С. Оптика. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. 848 с.

6. Андреева О.В. Прикладная голография. Учебное пособие. - СПб: СПбГУИТМО, 2008. 184 с.

7. Андреева О.В., Чистякова О.В., Андреев Н.В. Демонстрация свойств объемных голограмм // Физическое образование в вузах, Т. 8, №1, 2002. с.65-73.

Размещено на Allbest.ru