Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Методы цифровой голографии для бесконтактного контроля объектов различного геометрического масштаба 12
1.1. Схемы регистрации голограмм для объектов различного геометрического масштаба 12
1.2. Методы реконструкции изображений в цифровой голографии 19
1.2.1 Метод свертки 21
1.2.2 Метод Френеля 22
1.3. Методы многоволновой цифровой голографии 25
1.4. Цифровая запись дополнительных данных в цифровой голографии26 Выводы по Главе 1 27
ГЛАВА 2. Исследование точности и оценка характеристик методов и отдельных узлов приборов цифровой голографии 28
2.1. Расчет параметров оптических схем для регистрации голограмм объектов различного геометрического масштаба 28
2.2 Реконструкция изображений в цифровой голографии 34
2.3. Метод двухволновой записи и реконструкции изображений из голограмм 37
2.4. Запись калибровочных данных для восстановления изображений из голограмм на двух длинах волн 40
2.5. Цифровая голографическая запись дополнительных данных 42
2.6. Расчет параметров оптико-электронной системы записи дополнительных данных 47
Выводы по Главе 2 50
ГЛАВА 3. Экспериментальные результаты реализации методов цифровой голографии для бесконтактного контроля объектов различного геометрического масштаба 52
3.1. Результаты записи и реконструкции изображений из голограмм.. 52
тест-объектов с различным увеличением 52
3.2. Результаты цифровой фокусировки при восстановлении изображений в цифровой голографии 55
3.3. Запись и восстановление изображений из голограмм на двух длинах волн 58
3.4. Реализация метода записи дополнительных данных 62
3.5. Результаты реконструкции встроенных данных с помощью оптико-электронного устройства 74
3.6. Исследование влияния фокусировки на голограмме и соотношения интенсивности пучков на качество восстановления дополнительных данных75
Выводы по Главе 3 78
ГЛАВА 4. Методы и системы цифровой голографии для бесконтактного контроля объектов 80
4.1. Цифровая голографическая система для исследования объектов различного происхождения 80
4.2. Запись дополнительных данных методами цифровой голографии 90
Выводы по Главе 4 94
Заключение 96
Список публикаций по теме диссертации 98
Литература 100
- Методы реконструкции изображений в цифровой голографии
- Запись калибровочных данных для восстановления изображений из голограмм на двух длинах волн
- Результаты цифровой фокусировки при восстановлении изображений в цифровой голографии
- Цифровая голографическая система для исследования объектов различного происхождения
Введение к работе
Актуальность темы
Цифровая голография (ЦТ) применяется во многих областях науки и техники для неразрушающих исследований различных объектов, в том числе физических неоднородностей, деформаций, трехмерной структуры объектов различной физической природы и др., в частности трехмерной микроструктуры биологических объектов. Современные методы ЦТ имеют высокое разрешение, ввиду чего являются перспективными для материаловедения и биомедицины и активно развиваются в ведущих научных лабораториях мира в течение последних лет.
Голографический способ записи и воспроизведения амплитуды и фазы объектной волны впервые предложен Д. Табором в 1948 г., а идея применения компьютерной обработки для восстановления голографиче-ски записанного изображения была впервые предложена Дж. Гудменом и Р. Лоуренсом в 1967 г., а позднее получила развитие в работах Р.В. Крон-рода, Л.П. Ярославского и др.
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 пропускание/отражение. Методы ЦТ позволяют получать изображения исследуемых объектов с информацией о цвете, для чего применяются методы последовательной регистрации голограмм на разных длинах волн. Такие методы развиты в работах С. Де Никола, Г. Коппола, П. Фер-раро, И. Ямагучи и др. Методы многоволновой ЦТ требуют использования специальных методик для снижения влияния внешних факторов. В данной работе предлагается метод записи и восстановления изображений из голограмм одновременно на двух длинах волн, что исключает влияние вибраций и позволяет использовать метод для исследования быстропро-текающих процессов, что особенно важно для исследования живых систем.
При исследовании различных объектов формируется большое количество изображений, поэтому необходимо иметь возможность записы-
вать различные дополнительные данные в саму голограмму, что может сильно сократить размеры базы данных голограмм. Также часто требуется запись данных об объекте исследования, даты регистрации объекта и прочих данных для простоты и удобства хранения голограмм. Нанесение этих данных поверх объекта является нежелательным, так как затрудняет визуальный и автоматический анализ объектов, поэтому актуальны разработка и исследование методов записи в одну голограмму информации о нескольких изображениях с целью повышения информационной емкости голограмм.
Цель работы: разработка и исследование методов цифровой голографии для получения цветных изображений объектов из одной голограммы и методов записи дополнительных данных в голограммы и изображения объектов исследования.
Основные задачи работы:
-
Анализ существующих методов записи голограмм для различных типов объектов и методов восстановления информации об амплитуде и фазе объектной волны из голограмм.
-
Создание оптической схемы регистрации цифровых голограмм объектов в проходящем свете на двух длинах волн с квазиортогональным расположением плоскостей падения излучения на различных длинах волн.
-
Создание и исследование метода реконструкции цветных изображений из одной голограммы, записанной на двух длинах волн, с использованием компьютерной фокусировки.
-
Исследование и реализация метода записи калибровочных данных для совмещения изображений на двух длинах волн.
-
Исследование и реализация метода записи дополнительных данных в цветные изображения и изображения в оттенках серого, а также создание системы оптической записи дополнительной графической информации в момент регистрации голограммы.
Научная новизна
-
Создание и исследование системы ЦТ с квазиортогональным расположением плоскостей падения излучения на различных длинах волн для получения цветных изображений с использованием только одной голограммы, регистрируемой одновременно на двух длинах волн.
-
Создание метода разделения голограммы, записанной на двух длинах волн, по длинам волн для последующей реконструкции из них цветных изображений.
-
Создание метода записи калибровочных данных для совмещения изображений на различных длинах волн.
-
Создание и реализация методов оптической записи калибровочных и других дополнительных данных в голограмму или изображение сцены в момент их регистрации на видеокамеру.
Методы исследования
Реализованные методы и схемы записи цифровых голограмм и алгоритмы реконструкции изображений из них основаны на элементах теории интерференции и дифракции когерентного излучения, а также теории цифровой обработки изображений. Для исследования характеристик предложенных алгоритмов используются методы имитационного моделирования.
Результаты, выносимые на защиту:
-
Схема записи голограмм на двух длинах волн с квазиортогональным расположением плоскостей падения излучения на различных длинах волн.
-
Метод восстановления цветных изображений из одной голограммы, зарегистрированной на двух длинах волн.
3.Метод записи дополнительных калибровочных данных для совмещения изображений, восстановленных из голограммы, зарегистрированной на двух длинах волн.
4. Метод оптической записи дополнительных данных в голограмму или изображение сцены в момент их регистрации на видеокамеру.
Достоверность результатов работы подтверждается соответствием теоретических положений, результатов моделирования и экспериментальных результатов. Достоверность работы подтверждается также воспроизводимостью результатов, получаемых с использованием созданных систем.
Практическое и научное значение диссертации
Выполненные в работе исследования обеспечивают решение важной научно-технической задачи получения цветных изображений нестационарных во времени объектов методами ЦТ. Научная ценность работы заключается в создании методов записи голограмм на нескольких длинах волн и реконструкции их них цветных изображений объектов с параллельной записью дополнительных данных в получаемые изображения и голограммы.
Практическая значимость работы состоит в том, что полученные результаты и разработанные с их использованием методы и схемы записи представляют практическую ценность при исследовании объектов, имеющих различное пропускание на разных длинах волн, что крайне важно, например, при исследовании биологических объектов. Разработанная и исследованная система оптической записи дополнительных данных в момент записи на видеокамеру позволяет повысить быстродействие и информационную емкость систем ЦТ.
Внедрение результатов работы
Результаты работы использованы при выполнении НИР "Оценка состояния и диагностика биотканей неинвазивными высокоразрешающи-
ми методами оптической когерентной томографии и трехмерной микро
скопии" (тема НИЧ 310336) по государственному контракту
№ 11.519.11.2023 от 21.10.2011 г. и НИР "Формирование, анализ и пред
ставление трехмерных изображений в информационно-
телекоммуникационных системах" (тема НИЧ 310335) по государствен
ному контракту № 07.514.11.4058 от 13.10.2011 г. в рамках федеральной
целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным на
правлениям развития научно-технологического комплекса России на
2007-2013 годы".
Полученные результаты использованы при реализации двух программ для ЭВМ (свидетельство № 2012617298 от 14.08.2012 г. и №2012617188 от 10.08.2012 г.), которые применяются при проведении научных исследований на кафедре Компьютерной фотоники и видеоинформатики НИУ ИТМО.
Полученные в диссертационной работе результаты и разработанное программное обеспечение использованы при подготовке курсов лекционных и лабораторных занятий для студентов по направлению подготовки «Фотоника и оптоинформатика».
Апробация результатов работы
Результаты работы представлены в 14 докладах на российских и международных научных конференциях: XXXVIII научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2009), XXXIX научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2010), 20-ой международной конференции по компьютерной графике и зрению "ГрафиКон 2010" (Санкт-Петербург, 2010), VI международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики -2010» (Санкт-Петербург, 2010), XL научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2011), VIII Всероссийской межвузовской конференция молодых ученых (Санкт-Петербург, 2011), The 1st Cross-Strait Tsinghua Optics and Photonics Conference (Hsinchu, Taiwan, 2011), The 5th Finnish-Russian Photonics and Laser Symposium -PALS 2011 (St. Petersburg, 2011), The 3rd Intemeational Topical Meeeting on Optical Sensing and Artifical Vision (St. Petersburg, 2012), XLII научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2013).
Публикации
Материалы диссертационной работы опубликованы в 12 научных публикациях, из них 2 в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ. Автор имеет 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Личный вклад автора
Представленные в диссертационной работе результаты получены либо лично соискателем, либо при его непосредственном участии.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, основной части, содержащей 4 главы, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем работы составляет 111 страниц. Работа содержит 66 иллюстраций и 3 таблицы. Список литературы включает 69 библиографических источников.
Методы реконструкции изображений в цифровой голографии
Методы ЦГ позволяют восстанавливать как амплитуду, так и фазу волнового фронта (объектной волны), а также осуществлять визуализацию трехмерной структуры изучаемых объектов [16, 18, 34-41].
После получения при помощи видеокамеры цифровой информации о голограмме можно использовать эту информацию для реконструкции (восстановления) амплитуды и фазы объектной волны[23].
Восстановление изображение из голограмм, как известно, состоит в восстановлении распределения интенсивности на поверхности объекта [18, 23, 36-41]. Реконструкция изображения из записанной цифровой голограммы сводится к восстановлению объектной волны, т.е. к восстановлению дифрагированного оптического поля вычислительными методами. При этом основным выражением для численного восстановления изображений в ЦГ в соответствии со скалярной теорией дифракции в параксиальном приближении Френеля является интеграл Рэлея-Зоммерфельда: Q( , л) = ex где 2(,, ц) - восстановленное дифрагированное поле, соответствующее объектной волне в плоскости изображения (,,Г) .
Выражение (1.10) позволяет вычислить комплексное поле 2(,, л) на расстоянии d от плоскости голограммы, зная которое можно найти интенсивность /(,,г) и фазу ф(,,г) восстановленного изображения:
Технология цифрового восстановления изображений из голограмм позволяет провести полноценную цифровую обработку и предоставляет широкие возможности для анализа по сравнению с традиционным оптическим процессом, причем для исследования доступны как амплитудные, так и фазовые характеристики поля. Цифровая обработка позволяет отфильтровать фоновые шумы изображения и устранить нулевой порядок дифракции [33]. Пространственное разрешение восстановленного объектного поля может быть улучшено путем настройки параметров алгоритма восстановления голограммы, компенсируя тем самым более низкое по сравнению с фотопластинкой пространственное разрешение видеокамеры [23-42].
Известно, что основными недостатками, которые возникают при восстановлении из голограмм изображений, являются появление нулевого порядка дифракции и изображения-двойника (мнимого изображения).
Для устранения этих недостатков в диссертационной работе используется метод фильтрации высоких частот в голограмме перед проведением процедуры восстановления изображения из голограммы [33, 43, 44]. Метод устранения нулевого порядка дифракции можно использовать для любого метода восстановления изображения, которых обычно выделяют два: метода преобразования свертки и метод Френеля. В основе метода свертки лежит теорема о свертке [41, 45]. При использовании метода свертки реконструируемая волна определяется как свертка произведения опорной волны на функцию цифровой голограммы h(x,y) с функцией импульсной отклика оптической системы g(,,r\,x,y) [41]: где импульсная характеристика определяется выражением: Выражение (1.14) соответствует тому, что линейная система, отвечающая условию g(,,л,х,у) = g(,-х,ц- у), является пространственно инвариантной, поэтому по теореме о свертке В дискретном виде выражение (1.14) принимает вид: где N - количество пикселей матрицы видеокамеры вдоль оси х, к= 0, 1,…, K - 1, l = 0, 1,…, L - 1 - дискретные координаты в частотной области.
Отметим, что сдвиг координат на N/2 обусловлен условием симметрии спектра. В более простой форме реконструкция в плоскости реального изображения методом свертки может быть записан в виде [40, 41]: Q(n,m) = 3 5[R(n,m)h(n,m)]3(g(kJ))}, (1.17) где З-1 - обратное преобразование Фурье, т = 0, 1,…, N - 1, n = 0, 1,…, N - 1 - дискретные координаты в пространственной области. Можно показать, что преобразование Фурье от функции g(kj) можно вычислить как [17]: При использовании метода свертки размер пикселя восстановленного изображения всегда будет совпадать с размером пикселя голограммы (матрицы видеокамеры) [23, 39-41]: Д, = Ах, Ат = Ау, (119) что отличает данный метод от метода преобразования Френеля. Метод свертки является ресурсоемким, так как требует двух Фурье-преобразований [23]. Так же к недостаткам метода свертки можно отнести ограничение на максимальное расстояние между плоскостью регистрации и объектом. Указанных недостатков не имеет метод Френеля, который рассмотрен далее. В ЦГ метод Френеля является одним из самых широко используемых методов реконструкции в силу его вычислительной эффективности [16, 18, 36-41, 45]. Для численной реконструкции изображений из цифровых голограмм используется дифракционная формула Френеля. Информация о трехмерной структуре объекта может быть восстановлена при различных расстояниях между плоскостью голограммы и плоскостью наблюдения [38]. Реконструированная объектная волна в приближении Френеля может быть описана выражением [23]: Френеля», которое позволяет произвести реконструкцию волнового поля в плоскости реального (действительного) изображения, то есть за плоскостью голограммы [23, 29]. Преобразование Френеля используется для расчета поля в зоне дифракции Френеля, которая наблюдается на небольшом расстоянии от объекта.
Запись калибровочных данных для восстановления изображений из голограмм на двух длинах волн
Для осуществления калибровки предлагается записывать калибровочные данные на двух длинах волн, представляющие собой объект с известными размерами и параметрами, который расположен в том же месте оптической системы, где устанавливаются объекты для исследования. После записи голограммы калибровочного объекта производится совмещение восстановленных изображений на двух длинах волн с записью новых координат расположения объекта для последующей реализации совмещения исследуемых объектов.
В качестве калибровочного изображения был выбран объект, представленный на рисунке 2.4.
При выборе калибровочного объекта можно сформулировать ряд требований:
1. Калибровочный объект должен совпадать по размеру с размером пучка, которым проводится освещение исследуемых объектов. В используемой в работе схеме диаметр пучка составляет 5 мм, т.е. длина стороны квадрата калибровочного изображения должна быть 3,5 мм.
2. Наличие четких границ и отсутствие градиентных переходов.
3. Высокий контраст.
4. Изображение должно быть не инвариантно к аффинным преобразованиям.
Реконструкция изображения из голограммы калибровочного объекта, записанной на двух длинах волн выполняется в соответствии с методом, описанным в Разделе 2.4. При исследовании различных объектов формируется большое количество изображений, поэтому необходимо иметь возможность записывать калибровочные данные в саму голограмму, что может сильно сократить размеры базы данных голограмм. Также часто требуется запись данных об объекте исследования, даты регистрации объекта и прочих данных для простоты и удобства хранения голограмм. Нанесение этих данных поверх объекта является нежелательным, так как затрудняет визуальный и автоматический анализ объектов, поэтому в работе предлагается встраивать информацию об объектах в сами изображения так, чтобы они были незаметны без дополнительной обработки изображения.
Дополнительная информация может быть включена в изображения, восстановленные из голограммы без внесения искажений в эти изображения.
Запись дополнительных данных предлагается осуществлять в виде голограммы, синтезированной на основе этих данных. Синтез голограмм осуществляется с помощью вычисления распределения интенсивности в плоскости регистрации голограммы в соответствии с выражениями (1.4) или (1.5).
Известно, что в спектре большинства реальных изображений амплитуды низкочастотных составляющих значительно превышают амплитуды остальных составляющих, что приводит к значительным искажениям изображения-приемника при записи в него дополнительных данных. При записи голограммы эта проблема решается добавлением в схему рассеивающего элемента между объектом и плоскостью записи голограммы, т.е. происходит рассеяние объектного пучка. В случае ЦГ оригинальное изображение умножается на произвольный фазовый множитель \\,(х,у), который выравнивает амплитуды в спектре. Фазовый множитель \х(х,у) можно вычислить как:
Для синтеза голограммы Френеля необходимо использовать выражение (1.18), однако в нем не учитывается угол между опорной и объектной волной, т.е. синтезируется соосная голограмма.
В работе предлагается метод записи синтезированных на компьютере голограмм Фурье и Френеля в виде дополнительных данных, совпадающих по размеру с изображением-приемником, в частотной области с предварительным уменьшением динамического диапазона голограммы.
Выбор размера исходного объекта, голограмма которого синтезируется, зависит от распределения коэффициентов Фурье в спектре изображения-приемника, т.е. при восстановлении дополнительных данных изображение объекта должно располагаться в области низких частот спектра, т.к. для типичных изображений амплитуды высокочастотных составляющих значительно превышают амплитуды остальных составляющих. По этой причине был выбран размер исходного объекта для типичных изображений, равный N/4, где N - линейный размер изображения-приемника.
Для того чтобы голограмма дополнительных данных совпадала по размеру с изображением-приемником, перед синтезом исходный объект окружается нулями до размера, совпадающего с размером изображения-приемника.
На рисунке 2.5 представлен пример синтезированной голограммы Фурье. Представленная на рисунке 2.5 голограмма встраивалась в изображение-приемник. Равномерный характер распределения амплитуд голограммы позволяет свести к минимуму возможные искажения в изображении-приемнике при записи в него этой голограммы.
Результаты цифровой фокусировки при восстановлении изображений в цифровой голографии
Автофокусировка позволяет получать сфокусированные изображения, восстановленные из голограмм [66-69]. Ниже представленные результаты исследования методов автофокусировки для объектов, представленных в Разделе 3.1.
Известно, что сфокусированное изображения получается при восстановлении голограмм с точными параметрами алгоритма реконструкции (длина волны, размер пикселя матрицы и расстояние между плоскостью регистрации голограммы и объектом), при этом расстояние часто нельзя точно оценить при записи голограмм. Для проведения эксперимента использовалась голограмма штриховой миры (рисунок 3.2). Поиск точного расстояния осуществлялся путем восстановления голограммы в некотором диапазоне значения расстояния, и анализировались полученные изображения с помощью различных критериев (см. Раздел 2.2). Для сравнения критериев автофокусировки выбраны три наиболее популярных критерия оценки фокусировки изображения.
Графики, представленные на рисунке 3.5, иллюстрируют зависимость нормированных значений критериев на основе функции взвешенного Фурье преобразования а12 (см. формулу (2.8)), дисперсии яркости а2 (см. формулу (2.9)) и стандартной функции корреляции а3 (см. формулу (2.11)) от значений расстояния реконструкции. Зависимость нормированных значений критерия на основе функции взвешенного Фурье преобразования а12 (пунктирная линия), дисперсии яркости а2 (сплошная линия) и стандартной функции корреляции а3 (штриховая линия) от значений расстояния реконструкции Из графика видно, что восстановленное изображение сфокусировано при d = 180 мм при любом из трех критериев. В таблице 3.1 указаны значения критериев фокусировки а12, а2, а 23 и соответствующие им значения расстояния реконструкции для восьми различных значений расстояния d.
На рисунке 3.6 показаны изображения, восстановленные при d = 120 мм (изначальное изображение) и d = 180 мм (сфокусированное изображение). Значение расстояния реконструкции для сфокусированного изображения одинаково для всех критериев и соответствует оптимальному значению расстояния реконструкции, полученному с помощью ручной корректировки и визуальной оценки и равному 177-180 мм. Оптимальное значение расстояния реконструкции соответствует максимальному значению использовавшихся критериев, при этом достигается наилучшая фокусировка восстановленного изображения. Методы автофокусировки позволяют определять оптимальное расстояние и с большей точностью, если это требуется, вплоть до десятых долей миллиметра.
Для расширения функциональных возможностей и возможности получения изображений всех деталей объекта, имеющих различное пропускание на различных длинах волн, дополнительно необходимо использовать информацию о цвете объекта. Ниже представлены результаты моделирования разработанного метода получения цветных изображений на двух длинах волн.
Для проверки достоверности предлагаемого метода получения изображений на двух длинах волн с использованием только одной голограммы проводилось имитационное моделирование.
Исходный объект для моделирования представлен на рисунке 3.7.
На рисунке 3.8 представлена синтезированная голограмма, записанная на двух длинах волн, и ее спектр.
На спектре видно, что составляющие двух длин волн находятся в разных частях спектра, поэтому их можно разделить (рисунок 3.9). После разделения спектров производится процедура восстановления изображений из голограммы методом Френеля (см. Раздел 2.2) для каждой из голограмм. На рисунке 3.10 представлены результаты восстановления разделенных голограмм для каждой из длин волн.
Из рисунка видно, что на различных длинах волн не все элементы изображения различимы. Это связано с различным пропусканием на разных длинах волн. Другая сложность заключается в несовпадении положения изображения объекта. Для совмещения изображений требуется наличие калибровочных данных (см. Раздел 2.4). На рисунке 3.11 представлена синтезированная голограмма калибровочного изображения (рисунок 2.4), записанная на двух длинах волн.
Далее необходимо восстановить изображение из представленной на рисунке 3.11 голограммы (см. Раздел 2.3). Результаты реконструкции представлены на рисунке 3.12.
Восстановленные на двух длинах волн изображения калибровочных данных необходимо совместить и записать сдвиги, на которые необходимо было смещать изображение калибровочных данных, и использовать их для совмещения изображений исследуемого объекта. Результат формирования изображения на двух длинах волн представлен на рисунке 3.13. В отличие от изображений на одной длине волны, на рисунке 3.13 различимы все элементы изображения, что говорит об актуальности метода получения изображений на двух длинах волн для исследования изображений, имеющих различное пропускание на разных длинах волн.
Цифровая голографическая система для исследования объектов различного происхождения
На основе разработанных и исследованных методов созданы системы ЦГ для бесконтактного контроля объектов. В Главе 4 представлены результаты записи и регистрации голограмм на созданных системах с одной и двумя длинами волн. Рассмотрены особенности использования созданных систем для бесконтактного контроля объектов различного геометрического масштаба, а также представлены результаты записи дополнительных данных.
С помощью разработанных методов была произведена экспериментальная проверка созданных систем ЦГ. На рисунке 4.1 представлен общий вид системы для регистрации голограмм на одной длине волны.
Параметры созданной системы соответствуют параметрам, определенным в Разделе 2.1.
Для получения изображений объекта и их анализа необходимо осуществить операцию восстановления изображений из голограмм. Применительно к анализу данных в системах ЦГ на основе представленного в работе метода реконструкции была разработана программа, осуществляющая операции реконструкции изображений из голограмм реальных объектов, а также удобное представление и визуализацию полученных данных. На рисунке 4.2 представлен вид главного окна программы.
Программа позволяет задавать ряд параметров для восстановления изображения из голограммы: длина волны излучения и размер пикселя матрицы видеокамеры, на которую была записана голограмма. Также можно ввести дополнительные опции процесса реконструкции голограммы. Подробная информация о возможностях программы и инструкция по использованию программы представлена в Приложении А.
Для демонстрации работы созданной системы ЦГ был проведен ряд исследований различных объектов.
Результаты применения системы ЦГ, приведенной на рисунке 4.1, для исследования объектов с комплектом программного обеспечения представлены далее. На рисунке 4.3 представлены голограммы объекта «буквы», представляющего собой полупрозрачную пластиковую плоскость с нанесенным на нее рельефными буквами. Результаты восстановления амплитуды и фазы представлены на рисунке 4.4. Таким образом, с помощью проведенного эксперимента показана возможность измерения трехмерной структуры прозрачных объектов размерами до 1 см с использованием схемы на основе интерферометра Маха-Цендера.
Для исследования микрообъектов в проходящем свете была произведена модификация указанной установки путем добавления расширителя в объектное плечо интерферометра. Вид новой установки представлен на рисунке 4.5
Фотография установки для записи голограмм объектов методом «на пропускание» с помощью схемы на основе интерферометра
Маха-Цендера
Среди микрообъектов наибольший интерес представляют биологические. Для демонстрации возможностей схемы метода ЦГ было проведено исследование трехмерной структуры головы комара-пискуна Culex pipiens, двумерное изображение которой показано на рисунке 4.6.
На рисунке 4.8 представлены восстановленные с помощью изложенного выше математического аппарата амплитуда и фаза головы комара-пискуна Culex pipiens. Амплитудная информация аналогична двумерной классической фотографии (изображения под микроскопом) и несет информацию о степени отражения излучения различными участками образца. Фаза содержит информацию о трехмерной структуре среды. Для полноценного субъективного восприятия информации, восстановленной из фазы, необходимо производить операцию развертывания фазы, что является предметом отдельного исследования.
Для возможности получения изображений всех деталей объекта, имеющих различное пропускание на различных длинах волн, применяется предложенный в работе метод получения цветных изображений из одной голограммы. Изображение установки для регистрации таких голограмм представлено на рисунке 4.9. На рисунке 4.10 представлен результаты записи голограмм одновременно в двух длинах волн для объектов, представляющих собой стекло с нанесенным красителем различных цветов.
