Введение к работе
Актуальность теми. Практически sec объекты воспринимаемого нами мира трехмерны, поэтому естественно желание человека воспроизводить изображения отих объектез не только на гіоскости, ко и в пространство. Наиболее полно ота задача может быть репека с поморья голографии. Однако, еще задолго до появления последней, практически одновременно с открытие?-! фотографии, появились зеркальные и линзовые стереоскопы, а затем растровые фотографирующие системы, позволяюпе обойтись при рассматривании изображений без индивидуальных оптических приборов. Как известно,возможность наблюдения объемных изображений с помощью вышеуказанной техники базируется на том, что каждому глазу наблюдателя предъявляется соответствующий рз"урс объекта. На основании диспарантности -ft зображений на сетчатках глаз в мозгу формируется объемный стерео-образ объекта. Возможности растровых систем не исчерпываются построением отдельных ракурсов дп каждого глаза наблюдателя. Существует метод воспроизведения объемных изображений, когда с помощью оптических растров наблюдателю предъявляются ке отдельные paKypcj объекта, а его оптическая модель ('метод интегральной фотографии (И«) Липкана). При наблюдении оптической модели (или интегрального изображения (И1',)_) работают все механизмы естественного зрения. Основным фактором, ограничивающим точность воспроизведения ИИ объекта с помощью Иф, является противоречивость требований, предъявляемых к размеру линз растра. С одной стороны, с точки зрения геометрической оптики, диаметр линз растра нужно сделать как можно меныле, а с другой, для уменьшения эффектов дифракции, его необходимо увеличивать.
Как уже отмечалось, наиболее точным методом регистрации и воспроизведения оптической модели объекта является метод голографии, который позволяет воспроизводить распределение ПОЛЯ, рассеянного объектом. Однако, реализация этого метода зачастую оказывается затруднительной или просто невозможной, ото обусловлено тем, что для своей реализации он требует использования источников когерентного излучения. Достаточно низкий уровень мощности и сравнительно небольшая длина когерентности излучения существующих источников ограничивают допустимые размеры голографируемых объектов. Кроме того, предъявляются высокие требования к
стабильности последних, а также к стабильности параметров схемы регистр"чий и окружающей среда. Использование импульсных лазеров позволяет в значительной степени ослабить вышеуказанные требования. Однако, бсльаие веса и габариты таких источников, сравнительно малая выходная энергия излучения, недостаточно высокая энергетическая чувствительность фотопластинок, а также известная сложность обеспечения безопасности освещения при лазерной съемке живых объектов не позволяют использовать импульсные источники за пределами лаборатории. Стремление преодолеть вышеуказанные ограничения привело к разработке комбинированных методов получения объемных изображений с использованием на этапе регистрации первичной информации об объекте средств традиционной фотографии с последующим синтезом объемных изображений при помощи голографи-ческой техники. Что касается преимуществ комбинированных методов по сравнению с растрово-фотографическими, то на этот Еопрос можно ответить только после проведения подробного исследования их свойств как в смысле качества получаемого изображения, так и в смысле аппаратурного обеспечения и трудоемкости реализации.
Особый интерес представляют комбинированные растрОЕо-голо-графические .методы, позволяющие устранить некоторые недостатки, присущие каждому методу в отдельности. Большим достоинством комбинированных методов является то, что при их использовании наблюдаемое изображение может восстанавливаться с помощью источников полихроматического излучения голограммами, зарегистрированными в попутных пучках, что позволяет делать их рельефно-фазовыми. Последнее обстоятельство дает возможность многотиражного копирования таких іолограмм методом прессования, а также термо-или фотополимеризации. Такая же возможность существует и для так называемых "радужных" голограмм (РГ;. Такие голограмма занимают промежуточное положение между обычными голограммами и голограммами, изготавливаемыми согласно комбинированным методам. Их можно восстанавливать с помощью источников полихроматического излучения, однако, у восстановленных изображений отсутствует вертикальный параллакс. Известно несколько схем регистрации РГ, однако, все они имеют те или иные недостатки. Кроме того, сам метод ихеет особенности, которые принципиально ограничивают предельно достижимые параметры качества изображения.
К числу наиболее важных приложений комбинированных методов
регистрации к воспроизведения объемных изображений следует отнести:
-
Производство массовой изопродукции.
-
Синтез объемных изображений из набора плоских ракурсных изображений объекта, полученных в неоптических диапазонах длин волн или набора проекций, рассчитанных на ЭВМ.
-
Создание проекторов объемных изображений для воспроизведения увеличенных ахроматизозанных или цветных изображений.
-
Документирование результатов лабораторных испытаний крупногабаритных изделий, подвергшихся объемному деформированию или разрушению.
Для всех вышеуказанных приложения'требуется то или иное качество изображения, которое определяется соответствующими параметрам схем и условиями регистрации и зоспроизведсния. В то же время, к моменту остановки настоящей работы не были исследованы зависимости характер тт:;к качества изображении от вышеуказанных параметров и условий. Данное обстоятельство не позволяло проводить целенаправленную разработку схем и аппаратуры, которые были развиты крайне слабо. Отсутствие сравнительного анализа комбинированных и растровых методов не позволяло разграничить области их использования.
Ресекне указанных проблем актуально как с точки зрения реі-вития научно-технических основ методов синтеза объемных изображений, так и для разработки их практических приложений.
\~HkE-2~U22'd является разработка научных основ подхода к оценке качества изображения, Екбору параметров схем, а также условий регистрации и воспроизведения объемных изображений с требуемыми характеристиками качества при реализации комбинированных методов синтеза объемных изображений. При этом основное внимание было уделено решению следующих задач:
-
Исследованию зависимости характеристик качества изображения і'разрешавшей способности (PC), числа передаваемых полутонов, частотно-контрастной характеристики ^ЧКХ) , геометрических /.скакений)от параметров схем и условий регистрации и воспроизведения объемных изображений при использовании комбинированных методов.
-
Проведению сравнительного анализа комбинированных методов и методоз Еоспроизведения объемных изображений с использованием
растровых систем.
-
Исследований особенности регистрации и воспроизведения трехмерных объектов (в том числе и цветных) с помощью РГ.
-
Разработке и исследованию схемы проекции голографических изображении на голографический і растровый экраны (?Ъ, ?з).
-
Разработке и созданию экспериментально;"! аппаратура для регистрации, воспроизведения и измерения характеристик качества изображения.
Научная новизна.
-
Предложен подход к оценке качества изображения, восстанавливаемого с помощь» многоракурсной голограммы сфокусированного изображения (МГСШ, основанный на использовании вероятностных свойств интенсивности в изображении. С использованием этого подхода разработаны методики определения PC и числа передаваемых полутонов для линейной и нелинейной моделей приемника, анализирующего изображение.
-
В результате сравнительного анализа комбинированных и растровых методов формирования объемного изображения показано, что при одинаковой разрешающей способности комбинированный метод позволяет реализовать на порядок большую оптическую емкость, чем идеальная растрово-фстографирукцая система.
-
На основании трансформационных соотношений, описывающих связь между координатам:: точек объекта и восстановленного изображения, определены параметры схем регистрации изображений на всех этапах реализации комбинированного метода, обеспечивающие неискаженную передачу пространства.
-
Предложена и и следоваиа как теоретически, так и экспериментально схема регистрации мнегоракурсных голограмм Френеля или їурье (і-'ГФ) с перемечавшимся Фотоматериалом, позЕоляицак значительно сократить потери световой энергии при их регистрации.
-
Исследованы статистические характеристики распределения интенсивности в изображении, восстановленном МГФ и МТС/, при использовании схемы регистрации МГ* с перзмгщаюпимся фотоматериалом, подтвердивпие экспоненциальный характер этого распределения.
S. На основе дисперсионных свойств РГ с учетом дифракционных эффектов опр -едены требования к параметрам схемы записи и условиям восстановления., обеслечнваьцим воспроизведение иэобра-
копий с заданным узловым разрешением.
-
Определены требования к параметрам ГЭ и оптических систем, используемых при проекции изображений, восстановленных с помощью І.ТСИ.
-
По критерии PC экспериментально проведено сравнение качества растрово-голографической системи проекции при использовании голограмм;}, зарегистрированной в плоскости спектра "аспекто-грсммы", голограмму, смещенной из плоскости спектра на расстояние, обеспечиваюпее ее минимально возможный размер, голограммы сфокусированного изображения "аспектограммы".
-
Теоретически и экспериментально показана возмокность увеличения плотности регистрации информации за счет значительного смецения плоскости регистрации голограммы из плоскости спектра "аспектограмми".
Пр_актическая_^начимость.
-
Результаты проведанных исследований качества многоракурсных изображений позволяют произ: )дить целенаправленный выбор оптических систем, используемых на всех этапах реализации комбинированного метода, а также определить его предельные воз-мол. юстк.
-
Использование методики расчета геометрических параметров схец используемых на всех этапах реализации комбинированного метода, позволяет получать геометрически неискаженные изображения исходных объектов.
-
Проведенная оптимизация технологических условий регистрации и обработки МГф и MFC'' позволила улучшить дифракционные и иумо-вые характеристики восстановленных изображений.
-
Разработанная и автоматизированная схема регистрации МГ позволила сократить время регистрации, повысить качество изображения и исключить брак.
-
Созданный комплекс оборудования для регистрации первичных ракурсов, !'Т и ІЇРЄА позволил не только провести экспериментальные исследования комбинированного метода, но и получить ъяд "ГСІі, восстанавливавших высококачественные изображения произволынк объектов, в том числе портреты людей. Полученные ;ТСК демонстрировались в ряде музеев СССР, на ЗДКХ, где отме-ченп серебряной медалью. Ряд :1ГС>! изготозлены для ЦНЖЇ им. Крилова.
-
Разработанная технология и аппаратура могут бнгь использованы для получения МГСК, с помощью которых визуализируются объемные изображения, синтезированные из набора плоских, полученных в неоптических диапазонах длин волч, а также рассчитанных на ЭВМ. МГСИ могут быть исп:-дьзовани при производстве тсс э-воЯ изопродукцик, в музейном деле. При использовании МГСИ могут быть созданы библиотеки изобретений архитектурных сооружений и крупногабаритных конструкций.
-
Разработанная и созданная установка для регистрации "радужных" голограмм с использованием цилиндрических волновых фронтов позволяет сократить время их регистрации. На этой установке получен ряд РГ, которые служили оригиналами при изготовлении металлических матриц для последующего многотиражного копирования.
-
Разработанная методика и аппаратура для регистрации РГ на многослойных фотоматериалах могут служить основой при создании технологий и оборудования для записи и воспроизведения цветных изображений.
9; Материалы исследований схемы проекции изображений, восстановленных с помощью ('ГСМ на ГЭ, а также растрово-голографической проекции, могут служить основой при создании проекторов объемных изображений. При стом:
найденнче условия ахроматизации в горизонтальной и вертикальной плоскостях позволяют определить параметры схемы регистрации ГЭ, осуществлявшего построение окна наблюдения и ахрома-тазацип восстановленных изображений в схеме голографического проектора;
разработанная методика расчета параметров схемы проекции на ГЭ позволяет получать неискаженные увеличенные изображения объектов;
предложенные варианты использования метода обращения волновых фрктов позволяют снизить требования к аберрациям оптической системы, используемой при проекции;
теоретические и экспериментальные исследования возможности удучаечия качества изображения и увеличения плотности регистрами информации за счет смещения плоскости регистрации голограммы из "лоскости спектра "аспектограммн" позволяют определить параметры схеми растрого-голографического проектора с
использованием чор,й';?сматичсского источника излучения;
- предложенная схема растрово-голографичкекой проекции, осно
ванная на использовании голограмм сфокусированных изображений
и метода обращения волновых фронтов, позволяет наряду с уве
личением плотности регистрации информации использовать при
проекции источники полихроматического излучения.
1. Анализ преобразований оптического сигнала при реализации ком
бинированных методов регистрации и воспроизведения объемных
изображения показывает:
обпая связь между оптическим сигналом на бходо - распределением интенсивности на объекте - и оптическим сигналом на выходе - распределением интенсивности в изображении, восстановленном с помоцьв МГС'.'Ї, нелинейна. Отсюда следует, что для анализа качеств изображения, полученного в результате реализации комбинированного метода, нельзя впрямую использовать такие характеристики как функция рассеяния точки и ЧКХ;
В случае, когда PC оптической системы, используемой для проекции ракурсов на этапе регистрации МГ$, значительно выше PC фотографирующей системи, имеет место линейная связь между распределением интенсивности на объекте и математическим ожиданием интенсивности в изображении, восстановленном с помощью МГСИ. Наличие отой связи позволяет ввести ЧКХ применительно к математическому ожидания интенсивности.
-
Разработанные методики определения PC и числа передаваемых -полутонов позволяют оцените эти характеристики качества изображения на основе знания ЧіЧХ для математического ожидания интенсивности и функции плотности вероятности интенсивности в изображении, восстановленном МГСИ, для двух моделей анализирующего изображение приемника, приближенно описывающих работу зрительной системы. Одна из этих моделей линейная предполагает суммащга сигнала по плоцадк приемника, а другая нелинейная - предварительное логарифмирование, а затем суммацию. Р области низких пространственных частот нелинейная модель работает более эффективно, чем линейная, а в области высоких пространственных частот обе модели дают одинаковые результаты.
-
Использование при весстановлекик изображения, зарегистрированного на МГСИ, частично-когерентного излучения позволяет
производить эффективное сглаживание "спекл"-структуры в том слу«ае, когда размер области пространственной когерентности излучения не превосходит характерного размера "сгскл"-струк-туры в плоскости МГСІІ, который, в свое очередь, меньше, чем размер элемента разрееения иптической системы приемника изображения.
-
При одинаковой разрешающей способноста комбинированный метод позволяет реализовать на порядок большую оптическую емкость, чем идеальная растрово-фотографирующая система, при учете влияния оптической системы наблюдения, характеристики которой близки к характеристикам зрительной системі;, отот віг/грія составляет **- 7 крат.
-
Трансформационные соотношения между координатам точзк объекта и точек изображения, восстановленного с помощью МГСИ, в зависимости от параметров схем регистрации ракурсных снимков, МГФ и МГСИ, при линейном перемещении фотографирующей системы, представляют собой дробнолинейные функции, описывающие проективное преобразование пространства. Используя эти соотношения, mojsho определить геометрические искажения изображения, а также найти условия неискаженной передачи пространства, которые
' заключаются в равенстве угловых размеров пага фотографирующей системы и элементарной голограммы Френеля или ФуРЬ8> а также линейного размера шага перемещения фотографирующей системы размеру элементарной голограммы, деленному на увеличение.
6. Разработанная схема регистрации МГФ с перемещающимся фоточув-
ствительным материалом, в отличие от схемы с неподвижным фо
томатериалом, дает энергетический выигрып, который пропорцио
нален числу элементарных голограмм. При этом:
' - в случае эаписи многоракурсных голограмм Френеля схема с подвижным фотоматериалом требует пространственного совмещения восстановленных ракурсных изображений, что обеспечивается избиением угла падения референтного пучка при последовательной регистрации элементарных голограмм. Б случае регистрации кно-горакурсных голограмм Фурье необходимость в проведении вь-ле-упаза..ных операций отсутствует; - все результаты анализа качества изображения, "та луче иного при і:огіользоь«-.іии схемы с неподвижным фоточуветзнтельным материалом верны и в случае использования схемы с подгпяным фоточуь-
с теп т ел ь н ым мат вриьлом.
-
Основные парикетри оптических элементов схем, используемых на всех этапах регистрации многоракурскнх изображений, определяются на оснорє условий неискаженной передачи пространства, tt также требуемых размеров МГСИ и окна наблюдения. При отом отношение глубина объекта к расстоянию от объекта до кинокамеры ограничивается угловыми размерами восстанавливающего источника, а такие наличием разрыва конвергенции и аккомодации глаз наблюдателя.
-
Выбор ширины щелевст диафрагмы при записи РГ определяется но только хроматизмом этих голограмм, но и дифракционными эффектами. Для ограничения энергетических потерь при регистрации РГ необходимо использовать сходящуюся цилиндрическую опорную волну на этапе "алией голограммы Френеля и расходящуюся восстанавливающую цилиндрическую волну на этапе записи голограммы ейокусированно. о изображения.
-
Для регистрации РГ цветных зображений может быть использован двуслойный фотоматериал лабораторного полива на основ* эмульсии ПЭ-2, слои которого сенсибилизированы к красной и зеленой областям спектра.
-
Использование е схеме проекции изображений, восстановленных с помощью МГСИ, точечно-бокуеирующего ГЗ, выполняющего роль коллективного элемента, позволяет воспроизводить увеличенные ахроматизированные изображения. При этом условие ахроматиза-ции в горизонтальной плоскости сводится к определенному соотношению между координатами объектного и референтного источников вдоль оси 2 , перпендикулярной плоскости записи ГЭ.Это соотношение зависит от увеличения при проекции,Б -й координаты восстанавливающего МГСИ источника полихроматического излучения, а также от расстояния между МГСИ и окном.наблюдения. Условие ахронатизации в вертикальной плоскости заключается в равенстве угла между объектным и референтным пучками при записи ГЗ углу между объектным и референтным излучением при регистрации МГСИ, деленному на увеличение при проекции со знаком минус.
-
Для проекции изображений, восстановленных с помощью МГСИ, при достаточно больших увеличениях 4*10 крат и угловых размерах окна наблюдения порядка 10*20 требуются оптические системы с
относительным отверстием близким или даже большим I. Снижение требования к аберрациям таких систем можно осуществить зя счет реализации метода обращения волновых фронтов. Метод обращения волновых фронтов может быть использован применительно либо ко всей оптической системе, либо только к ее высокоапе.р-турной части. В последнем случае за счег. смены ниэкоапертур-ных частей можно изменять увеличение при проекции. При использовании для восстановления изображения источников полихроматического излучения оптические системы должны быть ахромата зованы. 12. Метод растрово-голографической проекции, основанный на сочетании И с голографической регистрацией "аспектограммы" и последующей проекцией изображения аспектограммы на ГЭ, позволяет производить одновременную запись ракурсов объекта и сократить размер носителя информации. При этом:
- реализация метода растрово-голографической проекции может осу
ществляться с помощью голограмм, зарегистрированных по трем
схемам:
' I/ плоскость регистрации голограммы находится в плоскости
спектра "аспектограммы"; 2/ плоскость регистрации голограммы смещена из плоскости спектра на расстояние, обеспечивающее минимально возможный размер голограммы; 3/ плоскость регистрации голограммы находится в плоскости изображения "аспектограммы".
при использовании голограмм, записанных по схеме I/, этап голографической егистрации и реконструкции значительно ухудшает PC по сравнении с разрешением для интегрального изображения. Одной из основных причин этого ухудшения являются искажения восстановленного спектра "аспектограммы", обусловленные значительными перепадаю! интенсивности излучения в спектре асектограммн, и ограниченность динамического диапазона фотоматериала}
использование голограмм, зарегистрированных по схеме 2/, позволяем увеличить плотность записи, а также сгладить перепады интенсивности в плоскости записи голограммы и, тем самым, по-эысить ра:, "исавщуи способность;
для получения высококачественных изображений по схеме 3/ не-
обходимо производить зипись голограмм и проекцию с помощью одной и той же оптической сиотемн, т.е. использовать метод обращения волновых йронтоз. При восстановлении изображений с помощью источников полихроматического излучения оптическая система должна быть ахроматизована.
Личннй_эклад_автоа. Автором поставлены задачи исследования и определены пути их решения. Все теоретические и экспериментальные исследования выполнены лично автором или при его непосредственном участии и руководстве.
Апобация_работн. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзной конференции "Регистрирующие среды, методы и аппаратура голограйии" (Кишенев, I960), на Всесоюзном семинаре "Изобразительная голография (Севастопосль, 1982), на Республиканском семинаре.(Львов, 1981), на ІУ Всесоюзной конференции по голографии (Ереван, 1982;, на У Всесоюзной конференции по голографии (Рига, 1985), на Международной конференции " Цаі<-р'Чііч<*> 90" (A^u-^r^t^ , 1990), на УІ Всесоюзной конференции по голографии (Витебск, 1990), на Международном семинаре ЮНЕСКО "Трехмерная голография: наука, культура, образование".
Стру_кт^ра_работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Она изложена на .'-j^/ страницах включая &3 рисунков, /7 таблиц, приложений на 37 страницах v /? библиографических ссылок.
