Методы определения пространственного положения частиц по данным, полученным из цифровых голограмм

• Автор: Ольшуков, Алексей Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 152 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Г лава I Обзор методов голографической регистрации частиц
1Л. Обзор оптических схем регистрации цифровых голограмм частиц
1Л Л Осевая схема
1Л .2 Внеосевая схема
1Л.З Схема с предварительным увеличением изображения
объёма
1.2 Сравнение методов цифровой и классической голографии
1.3. Ограничения голографических методов при исследовании частиц
1.4 Существующие методы определения координат по данным из цифровых голограмм
1.5 Обзор погружаемых цифровых голографических камер
Выводы к главе I
Глава II Методы восстановления цифровых голограмм и оценка их
погрешности
2.1 Метод на основе БПФ
2.2 Метод восстановления цифровых голограмм, основанный на
методе свёртки
2.3 Метод на основе прямого расчета дифракционного интеграла
2.4 Градиентный метод выделения границы частицы на изображении
2.5 Оценка точности работы методов для восстановления цифровых голограмм
2.6 Эксперимент по оценке точности работы алгоритмов восстановления цифровых голограмм и его результаты
В ыводы к Г лаве II
Глава III Методы обработки и фильтрации цифровых голограмм
3.1 Фильтрация искажений в восстановленном изображении в виде системы полос, повторяющих форму кадра
3.2 Фильтрация искажений в восстановленном изображении в виде

системы полос, окружающих частицу
3.3 Метод определения координат частиц по данным,
восстановленным из цифровых голограмм
3.4 Метод определения поворота частицы по данным,
восстановленным из цифровых голограмм
3.5 Повышение точности определения координаты частицы при регистрации двухракурсных голограм
Выводы к главе III
Глава IV Обработка цифровых голограмм и извлечение информации из цифрового голографического видео
4.1 Методы создания цифрового голографического видео
4.2 Методика построения траектории движения частиц по
голографическим изображениям
4.3 Методика оценки вращения для движущихся частиц по данным, полученным из цифровых голограмм
4.4 Регистрация цифровых голограмм по двухракурсной схеме
Выводы к главе IV
Заключение
Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ
Необходимость исследования частиц, расположенных в объёме среды, возникает во многих научных и практических задачах атмосферной оптики (исследование туманов, аэрозолей), биологических задачах, океанологии (исследование планктона, взвешенных и оседающих частиц в жидкости). Благодаря своим преимуществам голография выгодно отличается от других методов исследования подобных объектов: способностью регистрации объёма среды с последующим исследованием его восстановленного изображения по плоскостям (в отличие от фото и видео съемки); минимальным возмущением исследуемой среды; отсутствием необходимости в предварительной информации об исследуемом ансамбле и о природе образования, химическом составе микрочастиц.
При использовании методов цифровой голографии, могут быть получены следующие данные о частицах: форма, размер, пространственное положение и скорость каждой частицы, зарегистрированной на цифровой голограмме. Цифровая голография получила широкое применение в практических задачах исследования частиц, благодаря следующим преимуществам: восстановление информации о фазе предметной волны; передача цифровых голограмм по линиям связи; создание так называемого голографического видео.
В практических задачах необходимо идентифицировать частицу. Как правило, распознавание осуществляется по форме частицы. Для восстановления цифровых голограмм в литературе используется несколько методов: метод свертки, метод с использованием преобразования Фурье и прямой метод расчёта дифракционного интеграла. Сравнение алгоритмов в литературе производится по различным характеристикам, но вопрос точности восстановления формы частиц при использовании различных методов восстановления до сих пор актуален.

Плоскость наилучшего восстановления находится по средине отрезка между двумя плоскостями, для которых выполняется условие максимума коэффициента корреляции.
На рисунке 1.18 представлена зависимость коэффициента корреляции от расстояния восстановления для частиц различного размера.
10 /т> 51 fim
100ftn
Reconstruction distance (пт)
Рисунок 1.18 - Зависимость коэффициента корреляции от расстояния восстановления для частиц различного размера [55]
Результаты, представленные в статье [55] показывают, что, погрешность метода возрастает с расстоянием. Кроме этого авторы статьи [55] отмечают, что погрешность метода уменьшается с увеличением размера частицы и начинает эффективно работать для частиц с размерами d>50 мкм. Не очевидно, что частицы сложной формы будут «размываться» (расфокусироваться) симметрично относительно плоскости наилучшего восстановления. К недостаткам предложенного метода можно отнести необходимость подбирать оптимальный шаг восстановления голограмм: если шаг расстояния восстановления будет маленьким, то коэффициент корреляции будет максимален между двумя соседними плоскостями. При выборе большого шага восстановления ухудшается точность определения плоскости наилучшего восстановления.
Другой метод определения продольного положения круглых частиц с размерами менее d<50 мкм рассмотрен в статье [57]. Авторы предполагают,