Введение к работе
1.1.Актуальііость темы. Б последние годы все большее применение находят системы и методы обработки больших массивов информации, представляемой в виде двух- или трехмерных изображений. Значительные успехи достигнуты при реставрации и коррекции изображений, кодировании и сжатии видеоданных, отображении графической и полутоновой информации, создании систем технического зрения. Однако, ряд перспективных задач, таких как создание систем оперативного распознавания образов, искусственного интелекта, разработка устройств параллельной обработки информации, требует поиска принципиально новых подходов к решению проблемы обработки и представления изображений1.
С другой стороны, появление лазеров и развитие когерентной оптики и голографии привело к широкому использованию нетрадиционных оптических систем: голографических, интерферометрических, многоапертурных, "сверхразрешающих" и других, в которых из-за пространственной когерентности лазерного излучения становятся существенными связность волнового фронта и его топологические свойства2'3. При прямом применении теории информации в оптике изображение представляется в виде отдельных, независимых друг от друга отсчетов, что приводит к утрате целостности в описании изображения. Для учета связности используется более общий по отношению к "поточечному" описанию спектральный подход, основанный на ортогональных интегральных преобразованиях2 функции изображения. При этом конкретное изображение описывается определенным набором коэффициентов разложения по заданному базису, а каждый коэффициент, в свою очередь, описывает все изображение в целом, т.е. является его интегральной характеристикой1. Среди множества возможных ортогональных базисов для представления изображений естественным образом выделяется и наиболее "приспособленный" к конкретной оптической системе базис, состоящий из собственных функций (мод) интегрального оператора, описывающего формирование изображения в этой системе4 . Каждой такой моде принято сопоставлять две степени свободы оптической системы, а полный набор мод позволяет описать любое формируемое в системе изображение.
Формализм степеней свободы естественным образом приводит к представлению непрерывного ноля через дискретные параметры. Поэтому модовая концепция является физическим обоснованием для применения в оптике Шенноновской теории информации5. Она, в частности, показывает физические условия применимости теоремы отсчетов Шеннона-Котельникова6. В связи с этим концепция степеней свободы оптического изображения может рассматриваться как способ структурно-информационного анализа оптических полей. Ее применение к различным оптическим системам оказывается актуальным и в прикладном смысле — для согласования информационных характеристик светового поля с возможностями систем хранения и обработки изображений.
1 Александров В. В., Горский II. Д. Представление и обработка изображений: рекурсивный
подход. - Л.: Наука, 1985.
2 Аблеков В. К., Колядин С. А., Фролов А. В. Высокоразрешающие оптические системы. - М.:
Машиностроение, 1985.
3 Солимено С, Крозиньяии Б., дч Порто П. Дифракция и полноводное распространение
оптического излучения. - М.: Мир, 1989.
4 Francia Т. G. di. J. Opt. Soc. amer., (1969), 59, 799-804.
:i Гуревич С. Б. Передача и обработка информации голографическими методами. - М.: Сов.
радио, 1973. 6 Gabor 1У. Light and Information. "Progress in Optics", (1961), 1, 108-153.
Модовый подход показал свою эффективность в случае световодов и лазерных резонаторов, где общее число мод достаточно мало3'7. В других системах, где оно очень большое, принято считать, что описание дискретности волнового поля через его степени свободы имеет только чисто теоретический интерес. Однако, в случаях оптической памяти на микроголограммах, спекл-оптических измерительных систем с малым относительным отверстием, неизображающих диагностических и дефектоскопических систем знание подобных модовых характеристик становится актуальным. Так, применение концепции степеней свободы оказалось эффективным для описания и синтеза так называемых "сверхразрешающих" оптических систем8. Но при этом было показано8, что общее число степеней свободы волнового поля (число Габора) не обязательно сохраняет свою величину и может значительно меняться при модификациях оптических систем. Физические условия таких изменений до сих пор оставались невыясненными. Нетрадиционные для классической оптики многозрачковые системы, осуществляющие синтез апертуры, позволяют не только достичь разрешения, превышающего классический дифракционный предел, но и могут использоваться как каскад оптической обработки изображений. Например, системы с оптическим синтезом апертуры можно рассматривать как дальнейшее развитие метода согласованной пространственной фильтрации, когда согласованный фильтр синтезируется путем подбора параметров мультиплицирующих элементов и оптической системы. Это делает необходимым и актуальным исследование физических принципов управления информационными характеристиками таких систем.
При переходе от теоретического рассмотрения информационно-оптических систем к экспериментальным исследованиям их характеристик решающим оказывается наличие регистрирующей среды с малым уровнем собственных шумов и высоким разрешением. Наиболее подходящей средой представлялись слои дихро-мированного желатина, но к моменту постановки работы они обладали плохой воспроизводимостью свойств и низкой технологичностью10. Поэтому оказалось актуальным и необходимым усовершенствовать эту регистрирующую среду и методики ее обработки, исследовать механизм записи голограмм и определить возможность осуществления режимов неравновесного и самопроявления в таких слоях.
Таким образом, несомненно актуальной представляется проблема исследования структурно-информационных характеристик когерентно-оптических полей и процессов их дискретизации при распространении, формировании и записи оптических и голографических изображений. Актуальность таких исследований также обусловлена и широким использованием информационных подходов в разнообразных областях современной прикладной оптики.
1.2. Снизь с государственными программами и НИР. Работы по теме диссертации выполнялись в соответствии с планами научно- технических работ Физического Института им. П.Н. Лебедева РАН и его Куйбышевского (Самарского) филиала (1980- 1988 гг, 1993- 1996 гг), Научно- технического центра ПО "АвтоВАЗ"(1989- 1991 гг) и Объединенного института автоматики и электрометрии СО РАН (1991- 1993 гт). Работа осуществлялась при поддержке РФФИ в рамках грантов №94-02 05632а и №96-02- 16796а.
1.3 Цель исследоваиий-структурно-информационный анализ когерентных электромагнитных полей в терминах теории степеней свободы и синтез на этой
Голуб М. А, Сисаклн И. Н., Сойфер В. А, Компьютерная оптика, (1990), №8, 3-64. Lukosz W. J. Opt. Soc. amer., (1966), 56, 1369-1372; (1967), 57, 932-941. Морозов В. II, Попов Ю. М. Квантовая электроника, (1976), 3, 2325-2336. Kosar J. Light Sensitive systems. - N.-Y., London: I. Willey, 1965.
основе оптических и голографических систем, обладающих оптимальными характеристиками в смысле разрешающей и пропускной способностей и плотности записи информации.
Достижение указанной цели потребовало решения следующих задач:
теоретическое и экспериментальное исследование когерентно- оптических и голографических систем с синтезированной апертурой;
исследование условий применимости теоремы Габора о числовом инварианте волнового поля;
разработка и изготовление голографических дифракционных решеток с высокой кратностью мультипликации и низким уровнем собственного светорассеяния;
разработка новых методов извлечения информации из оптического сигнала при помощи целенаправленного воздействия на поле различными априорно- известными амплитудно- фазовыми фильтрами;
теоретическое и экспериментальное исследование трехмерной структуры спекл- поля и разработка новых методик спекл- интерферометрии продольного сдвига объекта;
теоретическое и экспериментальное исследование механизма записи оптической и голографической информации в слоях хромированных коллоидов при различных методиках их проявления.
Весь комплекс решаемых задач объединен как общностью физических подходов, так и прикладной направленностью работ. Конкретные параметры, подлежащие измерению или исследованию, определяют как условия освещения, так и вид применяемой оптической системы и тип регистрирующей среды. При этом свойства, например, регистрирующей среды могут определять и всю структуру оптического измерительного процесса. В связи с этим требуется проводить многопараметрическую оптимизацию всего процесса. Это, в свою очередь, обуславливает необходимость разработки единого теоретического описания для разнородных составляющих этого процесса.
-
Методы исследований. Результаты, изложенные в диссертации, получены путем теоретического анализа и экспериментальных исследований с использованием методов когерентой оптики и голографии. В работе применены методы волновой оптики, Фурье-оптики, теории степеней свободы оптического изображения и теории информации, методики синтеза коллоидных светочувствительных эмульсий и их исследования, теории фотографического процесса.
-
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
-
Предложена уточненная формулировка концепции перераспределения информационных параметров оптических систем и показано, что отличие распределения степеней свободы реальной оптической системы от идеального прямоугольного распределения, используемого в теореме Габора, обеспечивает возможность повышения пропускной способности оптических систем и плотности записи информации на голограммах.
-
В рамках теории степеней свободы рассмотрены задачи когерентно-оптической интерферометрии и показано, что информационные характеристики процессов голографической и спекл-интерферометрии определяются
степенями свободы, соответствующими ниспадающему участку распределения собственных значений мод изображений системы.
1.5.3. Показано, что в системе с оптическим синтезом апертуры, осу
ществляемым при помощи мультиплицирующих элементов, возможно повы
шение общего числа степеней свободы, что свидетельствует об увеличении
информационной пропускной способности такой когерентно-оптической си
стемы.
-
Методом оптического синтеза апертуры экспериментально осуществлена запись Фурье-микроголограмм с линейной плотностью около 1,6 104 бит/см при предельной информационной емкости регистрирующей среды 5 104 бит/см, что более чем на порядок превышает плотность записи, достижимую при использовании тех же объективов в обычной схеме записи голограмм.
-
Теоретически и экспериментально исследованы возможности воста-новления фазы рассеяного светового поля по измерениям распределения интенсивности на двух различных плоскостях с использованием априорно известной информации о связи между этими распределениями через волновое уравнение или данных об изменении измеряемых распределений интенсивности за счет введения заранее известных непрозрачных экранов и амплитудно-фазовых фильтров. Показано, что в этих случаях возможно mrrepa-тивное восстановление фазы с точностью ДОХ./100.
-
Установлено, что методы спекл-интерферометрии продольного сдвига для дифузно-отражающих и диффузно-пропускающих объектов отличаются по своим характеристикам. Так в случае отражающего объекта, освещенного сферической волной, отсутствуют плоскости нулевого смещения спеклов, и поэтому для записи спеклограмм необходимо использовать гауссовское освещение либо объемные регистрирующие среды с толщиной слоя, большей величины перемещения отдельного спекла.
-
.Показано, что механизм записи голограмм на слоях дихромированного желатина имеет, как минимум, двухканальную первичную фотохимическую реакцию, что позволяет осуществлять контроль записи голограмм по величине дифракционной эффективности скрытого изображения и, тем самым, повысить воспроизводимость результатов.
-
Предложена и исследована методика неравновесного проявления голограмм па слое дихромированного желатина за счет конденсации на нем водяного пара, что обеспечивает получение в реальном масштабе времени тонких голограмм с дифракциошюй эффективностью, близкой к теоретическому пределу. Экспериментально показано, что слои дихромированного желатина и крахмала с добавлением глицерина обладают эффектом самопроявления и
. позволяют записывать голограммы с пространственной частотой до 1500 линий/мм.
І.С.Практичсская ценность и реализация результатов работы. Разработанные методы и технические решения на их основе защищены 20 авторскими сведе-тельствами на изобретения и использованы при
— разработке когерентных изображающих и голографических систем с оптическим синтезом апертуры, которые позволяют получить значительный
выигрыш в разрешающей способности, повысить плотность записи голо-графической информации;
применении оптического синтеза апертуры для увеличения чувствительности намерения линейных и угловых перемещений контролируемой поверхности способом точной фокусировки и при использовании подобной системы в качестве нрофилометра;
контроле геометрической формы выпуклой зеркальной поверхности методом дифракции на ней сходящейся монохроматической волны. Согласование освещающего волнового фронта с формой контролируемой поверхности позволяет осуществлять контроль по структуре изображения в зоне дифракции Фраунгофера и получать чувствительность, близкую к интерференционной (до 0,1 мкм) при относительно высокой устойчивости к вибрациям (допустимая величина смещения объекта до 2 мм);
разработке и 'создании автоматизированной лазерной системы оперативного контроля формы и качества поверхности беговых дорожек внутренних колец подшипников (ПО "ГПЗ-4", г. Самара);
разработке методик голографической и спекл-интерферометрии и способов оптического вычитания изображений в реальном масштабе времени "in suti" при помощи проявления парами воды слоев хромированных коллоидов;
исследовании причин разрушения и оптимизации крепления триплексно-го стекла легковых автомобилей ВАЗ 2108 и ВАЗ 2109 (ПО "АвтоВАЗ", г. Тольятти);
разработке и создании импульсной голографической установки и методики голографического исследования крупногабаритных объектов в промышленных условиях (ПО "АвтоВАЗ", г. Тольятти).
Полученные в диссертационой работе результаты использовались в учебном процессе (при выполнении курсовых и дипломных работ, проведении спецкурсов) Куйбышевского ( Самарского) .Новосибирского и Приднестровского университетов, Самарского авиационного института и Учебного центра ПО "АвтоВАЗ".
1.7. Осповпыс результаты и положения, выносимые на защиту.
-
Концепция перераспределения информационных степеней свободы оптической системы при сохранении числа Габора справедлива только при налігши порогового распределения степеней свободы. В противном случае при достаточно высоком отношении сигнал/шум может быть увеличена информационная пропускная способность системы или плотность записи оптической информации.
-
Оптический синтез апертуры в системе записи Фурье-голограмм при введении в нее мультиплицирующих элементов на стадиях записи и восстановления голограмм позволяет устранить дифракционные ограничения, обусловленные конечностью размеров микроголограмм, и достичь плотности записи голографической информации, соответствующей предельной разрешающей способности регистрирующей среды.
1.7.3. Комплексная амплитуда светового поля может быть восстановлена по
отсчетам интенсивности при введении в него фильтров с априорно заданны-
ми амплитудно-фазовыми характеристиками либо при смещении плоскости регистрации на контролируемую величину. Согласование структуры волнового фронта когерентного излучения с формой объекта или априорная информация о распределении излучения в предметной плоскости позволяют по структурным изменениям дифракционной картины в зоне Фраунгофера определить с интерференционной точностью форму объекта.
1.7.4. Регистрация спеклограммы продольных смещений объекта на фотослое
толщиной, превосходящей продольный размер отдельного спекла, позволяет
получить информацию о движении объекта при записи спеклограммы в лю
бом месте оптической схемы, а не только в области вблизи плоскости мини
мального смещения спеклов.
1.7.5. Механизм записи голографической информации в слое дихромирован-
ного желатина имеет.как минимум, двухканальную первичную фотохими
ческую реакцию, а регистрация осуществляется в результате электронно-
конформациошюго перехода макромолекул коллагена из состояния "спираль"
в состояние "клубок". Светочувствительность слоя можно повысить при не
равновесном проявлении его водяным паром или введением глицерина в со
став эмульсии.
1.8.Аігробация работы. Результаты работы представлялись на Всесоюзных
(Российских) школах-симпозиумах по когерентой оптике и голографии: XIII (Сочи,
1981), XIV (Долгопрудный, 1982), XV (Минск, 1983), XVI (Куйбышев, 1985), XVII
(Баку, 1986), XVIII (Долгопрудный, 1987), XIX (Гродно, 1988), XX (Черновцы,
1989), XXI (Тольятти, 1990), XXII (Переславль_3алесский, 1991), XXIII
(Долгопрудный, 1994), XXIV (Долгопрудный, 1996); Всесоюзных конференциях
по голографии: III (Ульяновск, 1978), V (Рига, 1985), VI (Витебск, 1989), VII (Куйбышев, 1990); Всесоюзном семинаре "Фотохимические процессы регистрации голограмм" (Ужгород, 1982, 1984); Международной конференции "Image science 85" (Хельсинки, 1985), Международном семинаре ЮНЕСКО "3D Holography: Science, Culture, Education" (Киев, 1989); I-V Всесоюзных научно-технических семинарах "Применение лазеров в науке и технике" (Иркутск, Тольятти, Новосибирск, 1988-1992); научно-техническом семинаре "Диагностические применения лазеров и волоконной оптики" (Волгоград, 1989); научных семинарах Саратовского, Самарского, Новосибирского, Иркутского, Киевского и Приднестровского университетов, Самарского авиационного института, Санкт-Петербургского института точной механики и оптики, Московского института электронного машиностроения, Физического института им. П. Н. Лебедева РАН, Института физической химии им. Л. В. Писаржевского НАН Украины и др.
1.9. Личный вклад автора. Автор работы является инициатором постановки,
обоснования задач и способов их решения и основным исполнителем большинства
исследований, выполненных в рамках . диссертационной работы. Ряд эксперимен
тальных и теоретических работ выполнен при творческом участии коллег и с
помощью аспирантов и сотрудников, работавших под научным руководством авто
ра. Часть конкретных исследований, выполнявшихся аспирантами под научным
руководством автора и не вошедших в настоящую работу, отражена в соот-
вествующих кандидатских диссертациях.
1.10. Публикации. По теме диссертации соискателем лично и в соавторстве
опубликовано 47 печатных работ и получено 20 авторских свидетельств на изобре
тения.
1.11. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти
глав, заключения, списка литературы (306 наименований), изложенных на _
страницах, и содержит 57 рисунков и таблицу.
