Оптико-электронная система формирования изображений удаленных объектов, основанная на преобразовании пространственной когерентности и интегральной регистрации нестационарных волновых фронтов

• Автор: Солякин, Иван Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 127 с. : ил.

Оптика обладает большими возможностями для построения цифровых и аналоговых систем обработки информации. По сравнению с электроникой оптика обладает потенциальными преимуществами для создания вычислительных устройств:

• меньшее количество энергии на один вычислительный такт;

• значительно меньший теоретический предел тактовых частот вычислителя;

• естественность реализации параллелизма вычислений и обеспечение высокой связности в вычислительных системах.
Однако, в последнее время из-за стремительного развития цифровых электронных вычислительных средств актуальность создания чисто оптических вычислительных машин сильно уменьшилась. Поэтому, особый интерес сегодня представляют оптические системы, в которых сочетались бы свойства датчиков, оптический блок предобработки и которые легко сочленялись бы с электронными блоками обработки информации. Представляется разумным использовать опыт работы с аналоговыми оптическими вычислительными системами для создания оптических или оптикоэлектронных систем, обладающих указанными выше свойствами.
Применение оптических систем, использующих когерентное освещение, ограничено из-за необходимости использования высококачественной элементной базы, включая пространственно-временные модуляторы света. В таких системах необходимо обеспечивать высокую точность юстировки и низкий уровень фазовых шумов. Оптические системы обработки информации, использующие частично когерентное освещение, в значительной мере избавлены от этих недостатков. Они защищены от фазовых шумов устройств ввода, предъявляют меньшие требования к точности юстировки оптических элементов и свойствам используемых источников излучения.
В особый класс среди систем с частично когерентным освещением можно выделить системы обработки информации, использующие в качестве информационного параметра степень пространственной когерентности. В таких системах преобразования производятся над пространственной когерентностью, а результирующее распределение степени пространственной когерентности отображается в виде распределения интенсивности с помощью визуализатора пространственной когерентности. Такие
системы сочетают в себе достоинства систем, использующих пространственнокогерентное излучение, и надежность систем с пространственно-некогерентным излучением. Однако существенным недостатком систем этого класса является низкое отношение сигнал/фон, что обусловлено наличием постоянного светового фона. Более того в таких системах отношение сигнал/фон падает обратно пропорционально числу элементов объекта. Таким образом, создание систем, использующих преобразование пространственной когерентности, невозможно без разработки эффективных методов увеличения отношения сигнал/фон.

Глава I. Преобразование пространственной когерентности и регистрация нестационарных волновых фронтов

1.1. Обратные задачи в оптике

Решение задачи построения изображений удаленных объектов - уже на протяжении долгого времени одна из приоритетных задач оптики. Особый интерес представляет разработка методов формирования изображений без использования фокусирующих элементов, которые сложны в изготовлении и вносят неизбежные аберрации в формируемое изображение. Процесс построения изображений в формирующей безлинзовой системе можно трактовать как двукратное преобразование Фурье характеристик световой волны — прямое и обратное. Такие преобразования могут быть выполнены либо чисто оптическими, либо оптико-электронными методами.
Чисто оптическое безлинзовое двукратное преобразование Фурье на основе преобразования пространственной когерентности [1] показало принципиальную возможность формирования плоских изображений объемных объектов с большой глубиной резкости. В этом варианте изображение строиться светом непосредственно рассеянным или излученным объектом. К сожалению, отсутствие к настоящему времени эффективных аппаратных решений по пространственно-временной фильтрации световых полей не позволяет в этом случае обеспечить необходимый контраст формируемого изображения.
Оптико-электроное безлинзовое двукратное преобразование Фурье включает в себя первичное преобразование в оптическом канале и последующее обратное преобразование в оптико-электронном тракте. Первичное преобразование Фурье в оптическом канале может выполняться, например, на основе преобразования пространственной когерентности с последующей визуализацией степени пространственной когерентности, а обратное преобразование - в оптико-электронном тракте на основе широкоапертурного фотоприемника. При этом обеспечивается возможность независимой временной модуляции фоновой и информационной составляющих светового поля и

і = 4АВ Йх^х)/0(х) +
+ 4АВ ік] <1x2 Іфс, хі) |Кхі, х2) $хпс(2тіаІ'кг (хі - сі)А) 8Іпс(2тм/л^ (х2 - Математическое моделирование показало, что применение масок, устанавливаемых на окне фотоприемника, может повысить на порядок контрастность строимых изображений. При использовании масок с гауссовым профилем контраст изображений (понимаемый как отношение значения центрального максимума аппаратной функции к максимальному значению боковых максимумов) в монохроматичном свете будет превышать контраст изображений, строимых телескопическим системами. Было проведено моделирование влияния масок с амплитудным пропусканием, устанавливаемых на входном окне фотоприемника, на вид аппаратной функции оптикоэлектронной системы. На рисунке 2.11 представлены результаты моделирования аппаратной функции оптико-электронной системы с идеальным интерферометром для масок с различными функциями пропускания. Контраст изображений без использования маски будет равен 1,5, а при использовании маски с пропусканием §(х)=1-|х|!А составит 21 и вид аппаратной функции будет совпадать с видом аппаратной функции идеальной телескопической системы. Из рисунка 2.11 видно, что при использовании маски с гауссовой функцией пропускания и а = 0,46И контраст строимых изображений будет максимальным: максимальное значение бокового максимума составляет 0,018 и, следовательно, контраст будет равен 56. Разрешение при использовании такой маски будет ниже (рисунок 2.12), чем в случае отсутствия маски в 1,3 раза (на 32 %). Следует отметить, что пространственное разрешение системы с гауссовой маской будет таким же, как и у система с Л-образной маской. Также введение любых масок в плоскость регистрации приводит к уменьшению интегральной интенсивности света и, следовательно, к уменьшению сигнала, снимаемого с фотоприемника. В случае Л-образной маски уменьшение составит 50%, по сравнению со случаем без маски, а в случае гауссовой маски с а = 0,46А - 44 %.