Формирование и анализ параметров когерентных световых полей методами цифровой голографии для бесконтактного контроля объектов

• Автор: Гендин, Владислав Геннадьевич
• Шифр специальности: 05.11.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 113 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ЦИФРОВОЙ ГОЛОГРАФИИ ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО КОНТРОЛЯ ОБЪЕКТОВ РАЗЛИЧНОГО ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО МАСШТАБА
1.1. Схемы регистрации голограмм для объектов различного геометрического масштаба
1.2. Методы реконструкции изображений в цифровой голографии
1.2.1 Метод свертки
1.2.2 Метод Френеля
1.3. Методы многоволновой цифровой голографии
1.4. Цифровая запись дополнительных данных в цифровой голографии
Выводы по Г лаве
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ И ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК МЕТОДОВ И ОТДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ ПРИБОРОВ ЦИФРОВОЙ ГОЛОГРАФИИ
2.1. Расчет параметров оптических схем для регистрации голограмм объектов различного геометрического масштаба
2.2 Реконструкция изображений в цифровой голографии
2.3. Метод двухволновой записи и реконструкции изображений из голограмм
2.4. Запись калибровочных данных для восстановления изображений из голограмм на двух длинах волн
2.5. Цифровая голографическая запись дополнительных данных
2.6. Расчет параметров оптико-электронной системы записи дополнительных данных
Выводы по Главе
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДОВ ЦИФРОВОЙ ГОЛОГРАФИИ ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО

КОНТРОЛЯ ОБЪЕКТОВ РАЗЛИЧНОГО ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО МАСШТАБА
3.1. Результаты записи и реконструкции изображений из голограмм
тест-объектов с различным увеличением
3.2. Результаты цифровой фокусировки при восстановлении изображений в цифровой голографии
3.3. Запись и восстановление изображений из голограмм на двух длинах волн
3.4. Реализация метода записи дополнительных данных
3.5. Результаты реконструкции встроенных данных с помощью оптикоэлектронного устройства
3.6. Исследование влияния фокусировки на голограмме и соотношения интенсивности пучков на качество восстановления дополнительных данных
Выводы по Главе
ГЛАВА 4. МЕТОДЫ И СИСТЕМЫ ЦИФРОВОЙ ГОЛОГРАФИИ ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО КОНТРОЛЯ ОБЪЕКТОВ
4.1. Цифровая голографическая система для исследования объектов различного происхождения
4.2. Запись дополнительных данных методами цифровой голографии
Выводы по Главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ А. ОПИСАНИЕ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ВОССТАНВОЛЕНИЯ
ИЗОБРАЖЕНИЙ В ЦИФРОВОЙ ГОЛОГРАФИИ
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Цифровая голография (ЦТ) применяется во многих областях науки и техники для неразрушающих исследований различных объектов, в том числе физических неоднородностей [1], деформаций [2], трехмерной структуры объектов различной физической природы [3, 4] и др., в частности трехмерной микроструктуры биологических объектов [3, 5-7]. Современные методы ЦТ имеют высокое разрешение [8, 11, 12], ввиду чего являются перспективными для материаловедения и биомедицины и активно развиваются в ведущих научных лабораториях мира в течение последних лет [1, 3, 5, 6, 12-16].
Голографический способ записи и воспроизведения амплитуды и фазы объектной волны впервые предложен Д. Габором в 1948 г. [2], а идея применения компьютерной обработки для восстановления голографически записанного изображения была впервые предложена Дж. Гудменом и Р. Лоуренсом в 1967 г. [16], а позднее получила развитие в работах Р.В. Кронрода, Л.П. Ярославского и др. [17-19].
Использование современных видеокамер обеспечивает возможность регистрации голограмм в электронной форме и обработки их на компьютере. При этом возможно получение количественных данных об амплитуде и фазе волны, отраженной от исследуемого объекта или прошедшей через него. Отличительным преимуществом методов ЦТ является то, что при их использовании не требуется точная фокусировка на объекте исследований: запись голограмм производится на фиксированном расстоянии от объекта, а фокусировка осуществляется на этапе реконструкции с использованием вычислительных методов.
При исследовании объектов в когерентном освещении на одной длине волны часто возникает проблема в отображении не всех элементов объекта, поскольку на различных длинах волн объекты могут иметь различное

Выражение (2.7) позволяет вычислить на расстоянии d от плоскости голограммы комплексное поле Q(<~, р), зная которое можно найти интенсивность /(£,,г|) и фазу ф(Е,,г|) восстановленного изображения [23].
Для устранения нулевого порядка дифракции в данной работе применяется метод высокочастотной фильтрации [54-59]. Для этого производится фильтрация исходной голограммы и последующее восстановление изображения из полученной после фильтрации голограммы. Частота среза фильтра выбирается таким образом, чтобы полностью подавлялся нулевой порядок дифракции, но не появлялись искажения на восстановленном изображении.
Важно отметить, что расстояние реконструкции d, рассчитанное по формуле (1.22), влияет на фокусировку восстановленного изображения [44,61]. Таким образом, требуется выбирать расстояние d так, чтобы восстановленное изображение было сфокусированным. Расстояние d выбирается как:
с?0 =argmaxCT2(
где ст - функция, позволяющая судить о степени фокусировки восстановленного изображения. Существует несколько способов выбора
2 2 функции <7 [43, 60]. Первый способ - использование в качестве ст
спектральной функции взвешенного Фурье-преобразования [61]. Второй -
спектральной функция дисперсии яркости. Третий - функции корреляции.
Спектральная функция взвешенного Фурье-преобразования количественно характеризует четкость краев [61]. Так как сфокусированное изображение имеет больше четких деталей, чем не сфокусированное, эта функция применяется для оценки качества фокусировки. Измерение часто производится с помощью взвешенной логарифмической суммы. Ниже приведена формула для спектральной функции взвешенного Фурье-преобразования: