Введение к работе
Актуальность темы
Методы голографической и спекл-интерферометрии усилиями таких исследователей, как Джоунс Р., Уайкс К., Островский Ю.И., Бутусов М.М., Франсон М., Локшин Г.Р., Власов Н.Г., Штанько А.Е., Yamaguchi І., Мазуренко Ю.Т., Клименко И.С, Рябухо В.П., Федулеев Б.В., Barakat R., West Ch., Ennos A.E., и многих других в последние годы нашли широкое применение в науке и технике. Физической основой этих методов исследования, а также методов исследования неоднородных сред является интерференция спекл-полей различной степени пространственной коррелированности. Успешность их реализации во многом обеспечивается применяемыми способами записи и восстановления дифракционных полей. Разработка новых и модернизация известных способов позволяет расширить область применения и упростить процедуру использования интерференционных методов измерения и контроля.
Регистрируемые спекл-структуры несут информацию о рассеивающих свойствах объектов и обладают ярко выраженным случайным характером. Исследование их статистических параметров актуально как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения. Этим исследованиям посвящены работы многих авторов: О.В. Ангельского, А.П. Владимирова, И.П. Гурова, Д.А. Зимнякова, И.С. Клименко, Ю.А. Кравцова, Г.Р. Локшина, Ю.Т. Мазуренко, П.П. Максимяка, В.И. Мандросова, И.А. Попова, С.С. Ульянова, Т. Asakura, R. Barakat, J.C. Dainty, H.M. Escamilla, I. Freund, D.L. Fried, L.I. Goldfischer, J.W. Goodman, B. Grzegorzewski, E. Jakeman, H. Kadono, J.W. Martienssen, J. Ohtsubo, K. Ouchi, G. Parry, N. Takai, W.T. Welford, T. Yoshimura и др.
В условиях реального эксперимента в той или иной степени проявляется действие разнообразных факторов, которые вызывают частичную декорреляцию интерферирующих спекл-полей. В подавляющем большинстве случаев такая декорреляция является нежелательным эффектом, ухудшающим видность интерференционных полос, снижающим точность и производительность измерений. Исследование факторов, вызывающих декорреляцию, и закономерностей формирования интерференционных полос, проведенное в диссертационной работе, позволяет оптимизировать измерительные схемы и расширить возможность их технического применения.
Одной из распространенных и до настоящего времени недостаточно изученных причин декорреляции интерферирующих спекл-полей является использование на стадии записи и восстановления голограмм пространственно модулированных опорных волн, которые широко используются в оптических системах распознавания образов, в голографических волоконно-оптических интерферометрах (Панченко В.Б., Воляр А.А., Гнатовский А.В., Кучикян Л.М., Донской Е.М., Токер Г.Р..) в когерентно-оптических системах обработки информации и т.п.
Декорреляция интерферирующих полей тесно связана с проблемой локализации интерференционной картины. Анализ вопросов формирования и локализации интерференционных полос, возникающих при использовании частично когерентных полей не только углубляет понимание механизма формирования интерферограмм, но также предоставляет возможность получения дополнительной информации об объекте.
Методы интерференционных исследований случайных неоднородных сред применяются при решении задач измерения шероховатости и дефектности поверхностей, в методах передачи изображений через рассеивающие среды, например, при определении ретинальной остроты зрения (Angelsky O.V., Maksimyak P.P., Hanson S., Рябухо В.П., Тучин В.В.). Поэтому исследования закономерностей интерференции частично коррелированных спекл-полей в известных оптических схемах и разработка новых измерительных когерентно-оптических схем является актуальной задачей развития этого направления интерференционных измерений.
Цель диссертационной работы - развитие физических представлений о свойствах и закономерностях формирования оптических дифракционных спекл-модулированных полей, о процессах записи, восстановления изображений и формирования интерференционных картин в рассеянном когерентном и частично когерентном световых полях, а также развитие методов спекл-интерферометрии с использованием частично коррелированных световых полей и методов восстановления изображений по записи интенсивности дифракционного поля.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
-
Теоретическое и экспериментальное исследование статистических свойств и закономерностей пространственных фазовых распределений в диффузно-рассеянных когерентных световых полях, формируемых в дальней зоне дифракции.
-
Исследование процессов и механизмов восстановления изображения с учетом статистических свойств спекл-поля в дальней области дифракции.
-
Разработка алгоритмов и программ компьютерной графической обработки цифровых спеклограмм с целью синтеза голограммных структур и получения искусственных голографически подобных дифракционных оптических элементов, позволяющих формировать изображения для некоторых классов объектов.
-
Разработка методов записи цифровых безопорных голограмм (спеклограмм), формирования на данной основе голографических интерферограмм, алгоритмов восстановления изображений и получения интерференционных полос как цифровыми, так и аналоговыми средствами.
5. Теоретический анализ закономерностей образования интерференционных
картин в голографической и спекл-интерферометрии в условиях воздействия
факторов вызывающих декорреляцию интерферирующих спекл-полей на
основе методов корреляционного анализа, теории линейных систем и аппарата
интегралных оптических преобразований.
6. Выявление закономерностей влияния используемых в голографической и
спекл-интерферометрии пространственно модулированных волн на степень
декорреляции интерферирующих спекл-полей и, в конечном итоге, на
видность и локализацию регулярной интерференционной картины.
7. Разработка методов определения статистических характеристик световых волн,
использующих их связь с пространственным распределением видности регулярных голографических и спекл-интерферограмм.
8. Разработка методов определения статистических характеристик рассеивающих
сред, использующих их связь с декорреляцией распространяющихся в них
спекл-модулированных полей.
Научная новизна исследований:
-
Впервые показано, что комплексная амплитуда спекл-поля, формируемого 8-коррелированным источником когерентного диффузно-рассеянного излучения, распределение интенсивности по которому описывается детерминированной четной функцией координат, принимает действительные значения в дальней области дифракции.
-
Впервые проведен статистический эксперимент по прямому измерению разности фаз в двух точках поля, формируемого источником когерентного диффузно- рассеянного излучения, в результате которого обнаружено, что наибольшая плотность вероятности разности фаз в соседних спеклах принимает значение л радиан.
-
Для рассеивающих объектов, обладающих вращательной симметрией четного порядка, впервые реализован алгоритм компьютерной обработки дифракционных спекл-структур, позволивший восстановить изображение исходного объекта по записи интенсивности дифракционного поля.
-
С помощью средств компьютерной графики впервые разработана методика обработки спеклограмм с целью восстановления информации о фазе рассеянного поля, утраченной на стадии регистрации.
-
Впервые реализован вариант цифровой безопорной Фурье-голограммы на основе разработанной методики восстановления изображения объекта по зарегистрированной интенсивности дифракционного поля.
-
Сформулированы закономерности образования регулярной интерференционной картины в плоскости изображения двухэкспозиционных спеклограмм и голографических интрерферограмм при их освещении как частично когерентным светом теплового источника, так и спекл-полем.
-
Теоретически получены и экспериментально проверены соотношения, связывающие видность интерференционных полос с пространственной автокорреляционной функцией освещающего спекл-поля, импульсным откликом изображающей оптической системы и сдвигом объекта. В частности установлено, что для существования регулярной интерференционной картины
при любом сдвиге объекта необходимо, чтобы размер спекла освещающего поля разрешался оптической изображающей системой.
8. Установлено, что использование в схемах голографичекои интерферометрии
пространственно модулированных опорных пучков приводит к падению
видности полос голографических интерферограмм. Количественный анализ
влияния пространственной модуляции опорной волны на видность полос при
использовании наиболее распространенных методов голографической
интерферометрии, проведенный на основе статистического подхода, показал,
что определяющим фактором является контраст случайного поля опорной
волны.
9. Разработан дифракционный метод оценки контраста спекл-структур.
ю. Разработаны методы использования спекл-структур для определения статистических параметров случайных фазовых объектов.
Научная и прикладная значимость работы
Результаты работы позволяют расширить представления о ряде важных свойств когерентного диффузно-рассеянного поля. Теоретические и экспериментальные результаты работы по исследованию статистических свойств спекл-полей могут быть использованы при разработке новых технологий и подходов для создания дифракционных оптических элементов, устройств формирования изображений; новых методов и устройств оптической обработки информации, оптических измерений, интерференционных измерений параметров рассеивающих объектов, оптической микроскопии.
На основе разработанных алгоритмов восстановления изображения возможна разработка новых методов и технологий цифровой голографии, спекл-фотографии, голографической и спекл-интерферометрии, вычитания изображений, создания специальных дифракционных оптических элементов.
Результаты работы по исследованию статистических закономерностей распределения фазы в спекл-полях, образованных рассеивающими объектами различной формы, имеют научно-методологическое значение и могут использоваться в сфере образования в области естественных и технических наук, в современных учебных курсах по физической оптике.
Результаты исследований интерференции частично коррелированных спекл-полей служат теоретической основой применения в интерференционных измерительных схемах многомодовых волоконных световодов.
Выявлены закономерности, связывающие распределение видности интерференционных полос двухэкспозиционных спеклограмм и голограмм с пространственными корреляционными характеристиками освещающего поля, что позволило разработать метод и устройство для измерения пространственной когерентности излучения.
Разработан когерентно-оптический способ измерения смещений диффузно рассеивающих объектов.
Достоверность научных результатов и выводов, полученных в работе, обусловливается адекватностью используемых теоретических моделей
исследуемым физическим процессам, корректностью принятых упрощающих допущений, корректностью постановки экспериментов и соответствием их результатов теоретическим выводам.
Положения и результаты, выносимые на защиту
-
В развитом спекл-модулированном поле в плоскости, перпендикулярной направлению распространения поля, нуль его интенсивности может представлять собой замкнутую линию, при переходе через которую фаза изменяется на к рад.
-
Спекл-модулированное поле в дальней зоне дифракции, образованное пространственно 8-коррелированным источником когерентного излучения, распределение средней интенсивности по поверхности которого имеет симметрию вращения четной степени, описывается действительной функцией и, следовательно, фазы в соседних спеклах этого поля отличаются на к рад. В отсутствие условия 8-коррелированности источника данное свойство поля приобретает вероятностный характер - наблюдается наиболее вероятное отличие фаз в соседних спеклах на к рад.
-
Восстановление распределения средней комплексной амплитуды поля по источнику спекл-модулированного поля с использованием его зарегистрированной интенсивности в дальней зоне дифракции может быть реализовано путем восстановления фазы поля приданием ей значений, отличающихся на к рад для соседних спеклов, и последующим фурье-преобразованием реконструируемого таким образом распределения комплексной амплитуды.
-
Использование зарегистрированных распределений интенсивности рассеянного спекл-модулированного поля в дальней зоне дифракции, соответствующих различным состояниям рассеивающей поверхности, позволяет создать регулярную интерференционную картину, параметры которой определяются данным изменением состояния поверхности. Такая возможность, в частности, служит основой для реализации методов голографической интерферометрии без использования когерентного опорного пучка на стадии записи поля.
-
Формирование регулярной интерференционной картины при освещении двухэкспозиционных спеклограмм и голограмм спекл-модулированным, либо частично когерентным полем теплового источника возможно при выполнении следующих условий:
- взаимное смещение идентичных структур спеклограммы или голограмм не
должно разрешаться изображающей оптической системой;
- размер площадки когерентности освещающего спеклограмму частично
когерентного поля, либо размер спекла, при освещении спеклограммы или
голограммы спекл-модулированным полем, должен быть больше взаимного
смещения идентичных структур.
-
В голографической и спекл-интерферометрии с использованием освещения объекта когерентным спекл-модулированным полем формирование регулярной интерференционной картины возможно, если изображающая оптическая система разрешает спеклы освещающего поля. Использование при записи спеклограммы частично когерентного освещения повышает видность формируемой регулярной интерференционной картины до максимальной, что, однако, сопровождается уменьшением дифракционной эффективности спеклограммы.
-
В когерентной оптической системе формирования изображения спроецированной на рассеиватель регулярной интерференционной картины, при наличии в пространственно частотной плоскости случайного фазового экрана (СФЭ) контраст полос в плоскости изображения определяется периодом полос и радиусом корреляции неоднородностей СФЭ в том случае, когда он значительно больше размеров спекла освещающего экран поля.
В некогерентной оптической системе контраст изображения амплитудной периодической структуры, формируемой через СФЭ, определяется пространственной частотой и радиусом корреляции неоднородностей СФЭ в том случае, когда он значительно больше радиуса когерентности освещающего экран поля. Сформулированные закономерности позволяют реализовать методы экспериментального определения корреляционных свойств объектов и сред, удовлетворяющих модели СФЭ.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы доложены на Всесоюзных школах симпозиумах по голографии и когерентной оптике: (Баку 1986, Черноголовка 1987, Гродно 1988); на Нижневолжском региональном семинаре «Диагностическое применение лазеров и волоконной оптики» (Волгоград 1988); на международных конференциях: "Interferometry Techniques and Analysis" (USA, San-Diego, 1993); "International School on Optics, Laser Physics & Biophysics" (Саратов 2002, 2004, 2005, 2006, 2007, 2009 гг.); "Проблемы и перспективы развития прецизионной механики и управления в машиностроении" (Саратов, 2002 г.).
Исследования по теме диссертации проведены при поддержке грантов: РФФИ №06-08-00987а; научной программы "Университеты России" № УР. 01.01.048 и № УР.01.01.368; аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» № 2.1.1/4973, выполненных под руководством автора, а также 2.1.1/4364 и 2.2.1.1/2950, в которых автор был исполнителем.
По материалам исследований, выполненных в рамках диссертационной работы, опубликовано 43 научных работы, в числе которых основные научные работы: 17 статей в рецензируемых журналах, 19 статей в сборниках научных
трудов и докладов конференций, 2 авторских свидетельства на изобретения и 1 брошюра. Список основных работ приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора. В публикациях, выполненных совместно с другими авторами, соискателю принадлежит основная роль в постановке решаемых задач, проведении теоретического анализа и экспериментальных исследований и интерпретации полученных результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 291 страница текста, включая 86 рисунков. Список литературы содержит 237 наименований.
