Голографическая регистрация частиц, находящихся в жидкости

• Автор: Макаров, Андрей Вадимович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 181 с. : ил.

1. Обзор методов голографической регистрации объемных ансамблей частиц
1.1. Основные голографические схемы
1.2. Возможности голографических методов
1.3. Существующий метод определения показателя преломления частиц с помощью голографии
1.4. Действующие погружаемые голографические камеры
1.5. Повышение контраста голографических изображений
1.6. Методы компенсации оптических искажений, возникающих в голографических изображениях при регистрации частиц, находящихся в жидких средах
1.6.1. Аппаратные методы компенсации оптических искажений
1.6.2. Расчет положения частицы в кювете при голографической регистрации в системе вода-стекло-воздух
Выводы к главе
2. Экспериментальные исследования возможности минимизации оптических искажений на этапе голографической регистрации
2.1. Оценка аберраций, возникающих во внеосевой голографической
схеме
2.2. Лабораторный стенд для голографической регистрации частиц, расположенных в жидкости
2.3. Запись голограмм в зеленом свете (1=0,53 мкм) с последующим восстановлением в красном (1=0,63 мкм) и зеленом свете (1=0,54 мкм)
2.4. Запись голограмм в красном свете (1=0,63 мкм) с последующим восстановлением зеленом (1=0,54 мкм) и в красном свете (1=0,63 мкм)
Выводы к главе

3. Метод определения показателя преломления выпуклых прозрачных
частиц произвольной формы по их голографическим изображениям
3.1. Описание метода
3.2. Экспериментальные исследования
3.3. Численная реализация метода
3.4. Результаты эксперимента
Выводы к главе
4. Имитатор погружаемой голографической камеры
4.1. Повышение контраста голографических изображений на этапе
записи и восстановления
4.2. Имитатор погружаемой голографической камеры
4.3. Восстановление действительных голографических изображений
4.4. Регистрация осевых цифровых голограмм объектов, находящихся в жидкости
Выводы к главе
Заключение
Список использованной литературы
Приложение 1
Приложение 2

Актуальность и состояние вопроса
Задача регистрации объемных ансамблей частиц актуальна в различных областях науки и техники (оптике атмосферного аэрозоля, экологии, биологии и т.д.). Минимальное возмущение исследуемого ансамбля частиц, высокое разрешение и глубина сцены, обеспечиваемые голографическими методами, а также возможность получения информации обо всем исследуемом объеме за одну экспозицию обусловило их применение при решении широкого класса задач [1 - 74], таких как измерение размеров частиц, определения их формы, концентрации в исследуемом объеме в лабораторных и натурных условиях [1 - 8], изучение процесса
взаимодействия лазерного излучения с аэрозолем [10], исследование планктона в водной среде [1 - 4] и т.п. При этом в последней задаче, например, получаемая с помощью голографических методов информация о форме планктонных частиц обеспечивает их идентификацию и в совокупности с данными о размерах и распределении планктона в пространстве позволяет судить об экологическом состоянии исследуемого района. Методы голограмметрии были успешно применены для изучения распространения планктона в водной среде (Foster, Watson, Hobson и др., 1997 г. [2]). Известны эксперименты по измерению скорости частицы с помощью голографических методов (Barnhart и Adrian, 1994 [6]; Meng и Hussain, 1995 [7]; Zhang и др., 1997 г. [8]).
Подводное голографирование - это метод, включающий голографическую регистрацию частиц, находящихся в воде (в натурных условиях), с помощью погружаемых голографических камер [1-4, 11, 31, 49, 53, 56] и последующее восстановление голографических изображений в лабораторных условиях. Затем восстановленное голографическое изображение зарегистрированного объема исследуется по сечениям. В 1984 г. Malkiel, Katz и др. [1] разработали первую подводную голографическую

11, 83] выяснили, что определенным образом подобранная толщина стекла выходного окна камеры по отношению к воздушной толще, через которую проходит предметный пучок на пути от иллюминатора к регистратору, благодаря взаимной компенсации сводит остающиеся искажения к минимуму. Например, сферическая аберрация полностью отсутствует в восстановленном изображении, если на этапе регистрации фотопластина располагалась в такой системе, где соотношение толщины стекла и воздуха {гё и 2а соответственно) определялось следующим соотношением:
^=4^ ■ <19>
где = Щу/Пц, т)ша = п*/па. Таким образом, принимая значения показателей преломления в воздухе, воде и стекле соответственно: па = 1,00; п№ = 1,33 и пё = 1,52 - минимальное значение сферической аберрации в изображении, находящемся на оптической оси, будет достигнуто при соотношении толщин воздуха и стекла 1/5 [83].
Если в погружаемой голографической камере толщина стеклянного иллюминатора во внеосевой геометрии составляет 30 мм (при апертуре -200 мм), то оптимальная толщина воздушного промежутка между иллюминатором и регистратором должна составлять приблизительно 6 мм. Такой малый воздушный промежуток накладывает ограничение на углы падения опорного излучения - поскольку для угла падения опорного излучения -60° (при котором возможна регистрация голограмм с высокой разрешающей способностью) необходим воздушный промежуток -100 мм. В связи с этим, авторы работ [4, И] были вынуждены использовать метод компенсации оптических искажений, основанный на выборе соотношения длин волн записывающего и восстанавливающего излучения (см. формулу 18), тем самым показав, что с помощью данного метода влияние большого воздушного промежутка также может быть скомпенсировано [4].