ЧЕРНІВЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені Юрія Федьковича

Д о м і н і к о в М и к о л а М и к о л а й о в и ч

УДК 535.4

ВІДНОВЛЕННЯ МАКРОПАРАМЕТРІВ СИЛЬНОРОЗСІЮЮЧИХ ОБ’ЄКТІВ ЗА СПЕКЛ-ПОЛЕМ ІЗ ВИКОРИСТАННЯМ ОПОРНОЇ ХВИЛІ

01.04.05 – оптика, лазерна фізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Чернівці – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі кореляційної оптики інженерно-технічного факультету Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича

Науковий керівник доктор фізико-математичних наук, професор, Максимяк Петро Петрович, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, професор кафедри кореляційної оптики.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор, Ушенко Олександр Григорович, Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, завідувач кафедри оптики і спектроскопії.

Кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник, Шумелюк Олександр Миколайович, Інститут фізики НАН України, старший науковий співробітник.

Провідна установа: Одеський національний університет імені І.І.Мечнікова Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться “ 29 ” квітня 2005р. о 17.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 76.051.01 при Чернівецькому національному університеті за адресою: 58012, м. Чернівці, вул. Коцюбинського, 2.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Чернівецького національного університету за адресою 58012, м. Чернівці, вул. Лесі Українки, 23.

Автореферат розісланий ” 25 ” березня 2005р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради М.В.Курганецький

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Розсіяння когерентного оптичного випромінювання неоднорідними об’єктами, внаслідок інтерференційного складання парціальних хвиль з випадковими амплітудами та фазами, приводить до утворення складного розподілу поля (спекл-поля). Особливістю таких полів є те, що мала область спекл-картини, утвореної у площині реєстрації, містить інформацію про макроформу та поляризаційний розподіл поля (макропараметри) всього об’єкта. Дослідження характеристик спекл-полів актуальне з двох причин: розробки оптичних методів розпізнавання образів та необхідності боротьби з шумами в оптичних каналах зв’язку. Ефективним при дослідженні таких полів є застосування опорних хвиль [1]. З великої кількості теоретичних та експериментальних робіт в даній області можна виділити дві групи методів: голографічні та інтерферометричні методи з опорною хвилею [2-4] та методи, у яких роль опорної хвилі відіграє одна компонента об’єктного поля (безопорні) [1,5].

Піонерами у дослідженнях лазерних спекл-полів були Голдфішер, Дейнті, Гудмен, Франсон та інші [2-5]. У результаті цих досліджень виникли нові напрямки: оптика спеклів, когерентна оптика, спекл-інтерферометрія, сингулярна та фрактальна оптики й інші.

Теоретичні та експериментальні дослідження спекл-полів дозволили розв’язати ряд прикладних задач, серед яких: контроль шорсткості поверхні; визначення топології об’єктів та параметрів руху; ідентифікація образів та ін. [5-8].

Теоретичний та практичний інтерес має задача встановлення зі спекл-поля макропараметрів об’єкту. Розв'язками обернених задач встановлення зі спекл-поля макропараметрів об’єкту займались Келлер [9] - у наближенні геометричної оптики, з використанням хвильової теорії - Льюес [10] та Просер [11] – для слаборозсіюючих об’єктів. Проте у випадку сильнорозсіюючих об’єктів (СРО), дисперсія фази неоднорідностей яких набагато більша за , коли відсутня регулярна складова поля, є певні труднощі у визначенні макропараметрів об’єктів. Зокрема можна виділити наступні експериментальні ситуації:

1.

2.

3.

4.

Вирішенню цих актуальних задач оптики спеклів присвячено дисертаційну роботу.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дослідження, результати якого представлені у дисертації, виконувалось у відповідності з програмою наукової тематики кафедри кореляційної оптики Чернівецького національного університету: “Дослідження нових можливостей розв’язання оберненої діагностичної задачі в оптиці шляхом використання уявлень фрактальної оптики та хаосу” ( № держреєстрації ДР0197U014408).

Дисертантом проведено експериментальні дослідження та комп’ютерне моделювання оптичного поля розсіяного випадковими розсіюючими об’єктами і запропоновано ряд голографічних та інтерферометричних методів діагностики їх макропараметрів.

Метою дисертаційної роботи є розробка та реалізація методів діагностики макроформи та поляризаційної неоднорідності сильнорозсіюючих об’єктів за спекл-полем із використанням опорної хвилі.

Задачі дослідження:

1.

2.

3.

4.

Об’єктом дослідження є спекл-структура розсіяного випромінювання.

Предметом дослідження є спекл-поля, утворені СРО, відновлені оптичні поля, поля, що дифрагували на оброблених, з метою підвищення їх інформативності, спеклограмах.

Застосовані такі методи дослідження, як:

·

·

·

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше:

1.

2.

3.

4.

5.

Практичне значення одержаних результатів

полягає у тому, що розроблені та апробовані у дисертації методи відновлення макропараметрів СРО можуть бути безпосередньо застосовані:

1.

2.

3.

Особистий внесок здобувача

Автору належить визначення напрямку досліджень, обґрунтування методів просторово-частотного гетеродинування, розробки методики досліджень, проведення основних експериментів, обробка та інтерпретація результатів. Основні результати по відновленню макропараметрів сильнорозсіюючих об’єктів, узагальнені у дисертаційній роботі, отримано автором самостійно й опубліковано у роботах [1*,2*,3*,4*,5*,6*,7*,10*]. У роботах [12*,13*,14*] дисертантом проведено теоретичне обґрунтування експериментальних методик, здійснено планування та виконання основних експериментів. Робота [9*] виконана повністю самостійно. В роботах [8*,9*,11*] дисертант брав участь у підготовці та проведенні експериментальних досліджень, обробці та інтерпретації результатів, виконав комп’ютерне моделювання експерименту.

Апробація результатів дисертації

Матеріали дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на:

1.

2.

3.

4.

5.

Публікації. За матеріалами роботи опубліковано 14 наукових праць перелік яких наведено у кінці автореферату.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації складає 129 сторінок. В дисертацію включено 37 ілюстрацій. Список використаних джерел складається з 109 найменувань і займає 8 сторінок.

ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі, що є оглядом літератури за темою дисертації, проведено аналіз публікацій, які присвячені експериментальним вирішенням задач оптики спеклів та пошуку підходів у вивченні інформативності оптичних полів, викладено основні уявлення про структуру спекл-поля, розглянуто модель формування оптичного поля, розсіяного об’єктом. Визначені напрямки пошуку нових можливостей визначення макропараметрів СРО.

У другому розділі приведено результати дослідження впливу інтенсивності опорної хвилі на якість відновлення з спекл-поля зображення СРО.

Для відновлення макроформи досліджуваного об’єкту застосовувався метод просторово оптичного гетеродинування –розвиток концепції Лейта-Роу.

Як фазовий об’єкт в дослідженні було використане матове скло, шліфоване абразивом М20. На поверхню матового скла, з боку падаючого пучка, накладались трафарети невеликих геометричних фігур вирізані у непрозорому чорному папері. На поле, розсіяне СРО, співвісно накладалась плоска когерентна опорна хвиля [1*,6*]. Голограма реєструвалась у зоні Френеля, де у формуванні спекл-поля, приймала участь значна частина просторово-частотних компонент.

Показано, що результуюче поле, яке сформоване при накладанні опорної хвилі, можна розглядати як суперпозицію двох когерентних полів: першого – сформованого внаслідок взаємної інтерференції оптичних ретрансляторів, що представляють об’єкт; другого – сформованого внаслідок інтерференції когерентного ретранслятора із опорною хвилею зокрема.

Оцінку зміни структури поля у площині реєстрації було проведено за характерною зміною величини граничної максимальної просторової частоти Щ.

Встановлено, що найбільша просторова частота гармонічної складової формується найбільш віддаленими один від одного ретрансляторами, тобто де: Dеф – ефективний розмір об’єкту, z0 – відстань від розсіювального об’єкту до площини спостереження, – довжина хвилі когерентного випромінювання. Якщо розглядати просторове гетеродинування як амплітудну модуляцію низькочастотним коливанням високочастотного, то при умові х0<<Dеф/2 максимальна просторова частота гармонічної складової визначається співвідношенням: а при умові х0>Dеф/2 – наступним співвідношенням: де х0 – координата точки спостереження.

Разом з тим, якщо не враховувати зміни максимальної просторової частоти гармонічної складової структури спекл-картини, пов’язаної із зміною ефективного розміру об’єкту, то у межах області геометричної тіні, значення її залишається постійним.

Рис.1. Оптична схема експериментальних досліджень.

Л – He-Ne лазер; Д1, Д2 – дзеркала; П1, П2 - подільники; О1, О2 – мікрооб’єктиви; МД1, МД2 – мікродіафрагми; Л1, Л2 – лінзи - коліматори; Об – об’єкт; НФ – нейтральний фільтр; Г – фотоплатівка ВР-Л.

За межами області геометричної тіні значення максимальної просторової частоти збільшується пропорційно х0 і на відстані х0=D збігається із максимальною просторовою частотою гармонічної складової у структурі спекл-поля, яка формується за відсутності опорної хвилі. Експериментальні дослідження проводились в оптичній схемі на базі інтерферометра Маха-Цандера (Рис.1).

Результати експерименту для відстані Z0 = 200мм; співвідношення опорної до об’єктної 5:1, розміру об’єкта 4Ч4мм ілюструє рис.2.

1 2 2а 2б 2в

Рис.2. Фрагменти структури поля:

1 – без опорної хвилі; 2 – з опорною хвилею; 2а – за умови х0>Dеф ; 2б – за умови Dеф/2<х0< Dеф ; 2в – за умови х0<Dеф/2 .

Різний період модуляції спекл-поля на проміжку (0 – Dеф), приводить до проявлення в спекл-полі макроформи СРО. Дана схема еквівалентна схемі запису голограм Габора.

Дослідження проводились при зміні кутових розмірів об’єкта від 0,5 до 0,04 рад. Макроформа відновлювалась до 0,05 рад. Хвильовий параметр умов експерименту змінювався в межах від 0,04 до 0,12.

Проведене комп’ютерне моделювання та обробка фрагменту зареєстрованої спекл-структури із застосуванням wavelet аналізу (Рис.3), дозволили незалежно перевірити концепцію Лейта-Роу просторово-частотного гетеродинування, показати можливості метода для відновлення макроформи СРО.

(а) (б)

Рис.3. Спекл-поле з опорною хвилею до (а) та після wavelet – перетворення (б).

Моделювався випадковий фазовий об’єкт з дисперсією фази неоднорідностей у вигляді квадрата розміром 1мм Ч1мм. Для аналізу та обробки отриманого просторово-частотного розподілу було застосовано wavelet перетворення.

Використане wavelet перетворення дозволило збільшити співвідношення сигнал/шум, покращити розпізнавання образу.

Дослідження впливу інтенсивності співвісно накладеної опорної хвилі на якість відновленого зображення СРО показало, що опорна хвиля такого типу виступає у якості когерентної основи, на якій відбувається інтерференційна візуалізація фазової картини поля у вигляді складного розподілу інтенсивностей – спекл-поля. Наявність нулів амплітуди у спекл-полі на етапі реєстрації голограми, приводить до нелінійних спотворень при відновлені зображень із безопорної голограми, що відбивається на деформації просторово-частотного спектру поля і призводить до зниження контрасту відновленого зображення [4*,13*].

Причиною спотворень відновленого зображення є зменшення періоду розподілу інтенсивності за відношенням до періоду розподілу амплітуди поля об’єктного пучка. Це проявлялося у випадку коли інтенсивність нульової складової у спектрі була меншою за інтенсивність об’єктної хвилі.

Експериментальні дослідження виконувались в розташуванні, подібному до рис.1. Відмінністю є введення нормуючого пучка, інтенсивність якого вибрана меншою за інтенсивність об’єктного поля. Доцільність цього кроку обумовлена необхідністю врахування впливу зміни вхідної модуляції інтерференційного поля, що реєструється, на структуру поля випромінювання, відновленого амплітудною голограмою. Справа у тому, що навіть якщо експозиція у кожному із експериментів витримувалася незмінною, ПЧ спектр поля відновленого зображення видозмінювався за рахунок зміни співвідношення інтенсивностей опорного та об’єктного пучків.

Результати вимірювань представлені на графіках залежності рис.4.

Рис.4. Просторово частотні спектри зображень об’єкта, що записані в схемах: 1 – без опорного пучка; 2,3,4 – із опорним пучком у співвідношенні : 1:5; 1:1; 5:1.

Із аналізу результатів випливає, що спектр просторових частот відновленого поля з голограми без опорного поля характеризується найбільшою шириною. При збільшенні інтенсивності опорного пучка ширина ПЧ спектра зменшується, що демонструє рис.4. Співвідношення інтенсивностей опорного і об’єктного пучків збільшується від значень 1:5 до 1:1 (графік 2,3 на рис.4). Відновлені зображення квадратів меншого розміру [рис.5], розташовані симетрично відносно основного зображення, відповідають нормувальному пучку на етапі запису голограм.

1 2 3 4

Рис.5. Відтворені образи об’єкта, що записаний з нормуючою хвилею у схемах: 1 – без опорного пучка; 2,3,4 – із опорним пучком у співвідношенні : 1:5; 1:1; 5:1.

Вибір інтенсивності опорної хвилі, більшої в порівнянні з інтенсивністю об’єктної (Iоп/Iоб5:1), дозволив позбавитись впливу неоднозначностей, пов’язаних із нулями амплітуди та змінами знака поля, які проявляються в подвоєнні частоти відповідних розподілів та зашумлюють відновлене зображення.

У третьому розділі дисертації досліджувалися можливості застосування опорних хвиль для голографічного відновлення поляризаційного розподілу поля СРО.

Дослідження проводяться із застосуванням двох когерентних із об’єктною хвилею опорних хвиль, азимути поляризацій яких ортогональні між собою, а самі хвилі зводилися у зоні реєстрації під кутом . Поляризаційно-неоднорідний об’єкт розташовувався симетрично між опорними хвилями. Реєстрували та відновлювали голограму, одночасно освітлюючи її двома лінійно поляризованими опорними хвилями із ортогональними азимутами поляризації [10*].

Оскільки модуляція інтерференційної картини, внаслідок інтерференційного складання різних за азимутом поляризації пучків, буде неоднаковою, то на стадії відновлення відповідних решіток буде мати місце різна дифракційна ефективність. Кожна із решіток буде відновлювати зображення об’єкта із поляризацією, що співпадає із станом поляризації опорної хвилі та амплітудою, яка відповідає дифракційній ефективності відповідної решітки, на якій відбувається дифракція. Внаслідок когерентності опорних хвиль та завдяки просторовій синхронізації хвиль, що відновлювалися двома зареєстрованими решітками, ми мали векторне складання, та, врешті, отримали поляризацію, що відповідала поляризації вихідній об’єктній хвилі.

На рис.6 зображена оптична схема, що реалізувала запропонований метод. Роль поляризаційно-неоднорідного об’єкта відігравало матове скло, шліфоване абразивом М20, із накладеними поляроїдними плівками у вигляді кільця та внутрішнього диску, площина пропускання яких змінювалася у межах .

Рис.6. Оптична схема запису та відтворення поляризаційних станів

П1,П2 – напівпрозорі дзеркала; Д1,Д2,Д3 – дзеркала; Р1,Р2 – поляроїди; А – аналізатор; Об. – об’єкт; Р3,Р4 – поляроїдні плівки; Г – голограма; ПР – призма; І – імерсійна рідина; РП – реєструючий пристрій. ОХ – об’єктна хвиля; Х1,Х2 – опорні хвилі із ортогональними азимутами поляризації.

Зчитування голограми відбувалося у цій же схемі за умов перекритої об’єктної хвилі. Голограма Г освітлювалася двома опорними хвилями із ортогональними азимутами лінійної поляризації, що ідентичні опорним хвилям які використовувались при запису голограми. У області перекриття відновлених хвиль формувалася хвиля із станом поляризації, ідентичним стану поляризації об’єктної хвилі. Аналіз відтвореного зображення проводився за допомогою аналізатора. На рис.7. зображені фрагменти відтвореного голограмою зображення об’єкту.

Експериментально показано, що однозначно відтворюються поляризації за умов, коли відхилення азимуту поляризації об’єктного поля було в межах азимуту поляризації опорних хвиль. Оцінка роздільної здатності показала, що розділяються поляризаційні хвилі, різниця азимутів поляризацій яких більше .

(а) (б) (в)

Рис.7. Фрагменти відтвореного голограмою зображення об’єкту що зареєстровані крізь аналізуючий поляризаційний пристрій.

а – площина пропускання аналізатора співпадає із площиною пропускання кільця; б – площина пропускання аналізатора не співпадає із жодною площиною пропускання розсіюючого поляризаційно-неоднорідного об’єкту; в – площина пропускання аналізатора співпадає із площиною пропускання внутрішнього диску.

У випадку, коли площини поляризації інтерферуючих променів збігаються, а кут їх накладання близький , результуюче поле стає поляризаційно модульованим, хоча розподіл інтенсивності буде однорідним [5*,7*].

Період модуляції d стану оптичної поляризації (СОП) (Рис.8) визначався залежністю: де: – довжина хвилі, та – кут накладання плоских хвиль.

Рис.8. Схема поляризаційної модуляції.

Х1, Х2 - бічні падаючі хвилі, ОХ - опорна хвиля, k1, k2 – хвильові вектори.

Внаслідок СОП який залежить від різниці фаз, буде змінюватись від лінійно поляризованого через еліптично та циркулярно поляризованого до лінійно, але ортогонально початковому поляризаційному стану. Після накладання плоскої лінійно-поляризованої опорної хвилі (ОХ), результуюче поле стає модульованим по інтенсивності з періодом: , приблизно вдвічі більшим за період поляризаційної модуляції поля без опорної хвилі.

Мета експерименту полягала у тому, щоб перевірити поляризаційну модуляцію у площині реєстрації і таким чином отримати прямий доказ наявності поперечної та повздовжньої складових поля.

Уявлення про структуру інтерференційного розподілу та контраст можуть бути отримані з рис.9, де представлена залежність нормалізованої інтенсивності відновленого сигналу від кута між електричними векторами опорної та об’єктної хвиль, ( отримується коли = ).

Точки на вказаній залежності відповідають експериментальним даним; суцільна лінія є теоретична крива.

Рис.9. Залежність нормалізованої інтенсивності відновленого сигналу від азимуту поляризації опорної хвилі.

Відновлення сигналу із максимальною інтенсивністю відповідало випадку, коли електричний вектор опорної хвилі був орієнтований під кутом до площини формування СОП та мінімальною інтенсивністю, коли електричний вектор опорної хвилі був ортогональний до площини формування СОП. Якщо електричний вектор опорної хвилі ортогональний площині формування СОП - інтерференційна картина не спостерігалася.

Та ж сама експериментальна установка використовувалась для дослідження біжучих хвиль СОП. Дзеркало М1 було встановлено на п’єзоелектричну кераміку. Різниця частот взаємодіючих променів керувалась пилкоподібною напругою, прикладеною до п’єзоелектричної кераміки. У детектуючому пристрої, блок голографічної реєстрації було замінено блоком фотоелектричного детектування, на вході якого була розміщена діафрагма, розмір якої вибирався меншим за просторовий період інтерферуючих структур, у межах 0,3 мкм. Сигнал фотоелектричного помножувача підсилювався осцилографом. На рис. 10 наведені експериментальні осцилограми [5*,7*].

(а) (б)

(в) (г)

Рис.10. Осцилограми сигналів:

а – напруга, прикладена до п’єзокераміки; б – азимут поляризації опорної хвилі ОХ ортогональний до площини формування СОП; в – азимут поляризації опорної хвилі ОХ орієнтований під кутом до площини формування СОП; г – азимут поляризації опорної хвилі ОХ орієнтований під кутом до площини формування СОП, із зсувом по фазі на р.

Сигнал, зареєстрований на екрані осцилографа, має часовий період, який відповідає періоду модуляції сигналу. Це доводить те, що біжучі інтерференційні структури, які присутні в площині реєстрації, відображають біжучі хвилі СОП.

У четвертому розділі досліджено покращення відновлення макроформи розсіювальних об’єктів в умовах обробки зображень, що сформовані обмеженою кількістю спеклів. Ця ситуація характерна при локації віддалених об’єктів, і при її вирішуванні доводиться аналізувати окремо взяті спекли [2*,3*]. Обробка та аналіз спеклограм з метою покращання точності визначення макроформи об’єкта проводилася двома запропонованими методами:

ізофот інтенсивності - отриманням із спеклограм ізофот (три способи) та подальшим аналізом спектру відтвореного автокореляційного відгуку фрагменту структури спекл-поля [8*,12*];

автокореляційний із порушеною центральною симетрією - формуванням умов дії створеної опорної хвилі, шляхом накладання на спеклограму шаблона амплітудної решітки та введенням фазового зсуву [9*,11*]. Експериментальні дослідження проводилися на амплітудно детермінованих об‘єктах, контури яких задавалися точковими когерентними джерелами.

Так, трикутний об’єкт задавався трьома отворами діаметром 0,1мм. розташованими по кутах рівностороннього трикутника із відстанню між центрами 0,25мм. На етапі запису спеклограми кутові розміри об’єкта вибирались на межі роздільної здатності телескопічних систем і складали, відповідно: 0,002 ч 0,001 рад.

Рис.11 . Оптична схема реєстрації віддалених об’єктів.

Л – He-Ne лазер; Об – досліджуваний об’єкт; КП - конвекційні теплові потоки; Д – дзеркало; АД – апертурна діафрагма; ТС – телескопічна система; С – спеклограма.

На шляху проходження лазерного променя створювались некеровані конвекційні теплові потоки, які моделювали фазові спотворення. Оптичне зображення об’єкта було складно розпізнати.

Модельний об’єкт, його зображення, автокореляційний відгук в умовах граничної роздільної здатності та фрагмент спеклограми, зображено на рис.12.

(а) (б) (в) (г)

Рис.12. Фрагменти картин

а – модельний об’єкт; б – зображення об’єкту, сформоване телескопічною системою (0,001рад.); в – автокореляційний відгук за наявності фазових спотворень на шляху розповсюдження лазерного сигналу; г – фрагмент структури спекл-поля.

Оптична схема відтворення автокореляційних відгуків показана на рис.13.

Рис.13. Оптична схема відтворення автокореляційних відгуків.

Л – He-Ne лазер; К – коліматор; С – спеклограма; ФЛ – Фур’є лінза; ПР – площина реєстрації.

Було розроблено програму розрахунку та побудови трьох рівнів розбиття інтенсивності у спеклах на ізофоти. На рис.14а,в показано ізофоти 1-го та 3-го рівнів для спекл-поля на рис.12в та відтворені з ізофот автокореляційні відгуки – рис.14б,г.

(а) (б) (в) (г)

Рис.14. Фрагменти спеклограми

із 1-м – а та 3-м – в рівнями ізофот; та їх автокореляційні відгуки – б,г.

Аналіз розташування центрально-симетричних вищих порядків інтенсивності на рис. 14б у вигляді шестигранника та формування в кожному порядку характерного для трикутного об’єкту відгуку (рис.14г), покращує розпізнавання [8*].

Перерозподіл інтенсивності у вищі порядки збільшує співвідношення сигнал/шум.

Було розроблено метод амплітудної модуляції із фазовим зсувом. Дія когерентної опорної хвилі, накладеної на спеклограму під невеликим кутом в площині реєстрації, створювалась шляхом обробки спеклограм. Метод полягав у накладанні амплітудної гратки на спеклограму; зміні у спеклах через пів-періода світлого проміжку на темний та реєстрації обробленої голограми. На рис 15 представлені промодульовані спеклограми та їх автокореляційні відгуки.

(а) (б) (в) (г)

Рис.15. Фрагменти амплітудно-промодульованих спеклограм спекл-поля – а,в та їх автокореляційні відгуки –б,г.

З спеклограми, промодульованої лише за амплітудним пропусканням, у ±1 порядку дифракції спостерігаються традиційні автокореляційні відгуки. Зміна чергування максимуму і мінімуму (рис.15в) веде до перерозподілу інтенсивності у автокореляційних відгуках з адекватним відтворенням зображення досліджуваного об’єкта [11*,9*].

Наведені експериментальні дослідження показали, що амплітудно-фазовою обробкою спеклограм можна в автокореляційних відгуках відновити зображення об’єкта.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

У результаті фізичного та комп’ютерного моделювання з використанням кореляційно-оптичних методів показано важливу роль опорних хвиль у задачах діагностики сильнорозсіюючих об’єктів. Запропоновані нові методи відновлення макроформи, поляризаційного розподілу, отримано зображення об’єкту в умовах, коли традиційні методи малоефективні.

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Перелік цитованих джерел

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

Список опублікованих праць по темі дисертаційної роботи

1*. Стринадко М.Т., Тимочко Б.М., Домініков М.М. О преобразовании структуры спекл поля при наложении опорной волны // Оптика и спектроскопия.- 1991.- Т. 70, № 2.- С.416-420.

2*. Ангельский О.В., Стринадко М.Т., Тимочко Б.М., Домиников Н.Н. Голографическая регистрация удаленных объектов // Оптика и спектроскопия.- 1993.- Т.74, №5.- С.995-1001.

3*. Angelsky O.V., Strinadko M.T., Timochko B.M., Dominikov N.N., Laboratory experiment concerning holographic recording of distant objects // Pure Appl.Opt. - 1995.-V.4. P.55-60.

4*. Angelsky O.V., Dominikov N.N., Maksimyak P.P. The role of the reference wave in forming an image reconstructed from a hologram without reference beam // Journal of Modern Optics. – 1991. - V.38, № 1. P.5- 9.

5*. Angelsky O.V., Dominikov N.N., Maksimyak P.P., Tudor T. On experimental revealing of polarization waves // Applied Optics. – 1999. - V.38, №5. P.3112-3117.

6*. Angelsky O.V., Dominikov N.N., Maksimyak P.P. The role of the reference wave in forming an image reconstructed from a hologram without reference beam. Ernst Abbe conference Jena, 1989, P.59.

7*. Angelsky O., Dominikov N., Maksimyak P., Tudor T. On experimental revealing of polarization waves, Proc. SPIE. – 1998. - V.3573, P.339-342.

8*. Dominikov M.M., Strinadko M.T., Timochko B.M. Formation of autocorrelation recall of small-sized objects. // Proc. SPIE. – 2001. V.4607, P. 217-219.

9*. Dominikov M.M. Amplitude Object Reconstruction From Correlation Function With Violated Central Symmetry. // Proc. SPIE. – 2003. V.5477, P. 102-104.

10*. Домініков М.М., Стринадко М.Т., Тимочко Б.М. Запис і відновлення поляризаційної структури об’єктного поля голографічним методом. //Науковий вісник ЧНУ. Вип.86: Фізика. Електроніка. – Чернівці: ЧНУ, 2000. - C.35-36.

11*. Домініков М.М., Стринадко М.Т., Тимочко Б.М. Відновлення зображення амплітудного об’єкта з допомогою автокореляційної функції з порушеною центральною симетрією. //Науковий вісник ЧНУ. Вип.151: Фізика. Електроніка. – Чернівці: ЧНУ, 2002. - С.33-34.

12*. Стринадко М.Т., Домініков М.М., Роман Н.С. Діагностика неперіодичного сигналу на фоні шуму за допомогою автокореляції / Чернівецький держуніверситет.- Чернівці, 1991. -5с.- Деп. в Укр.НДІНТІ 31.01.91, № 182- Ук 91.

13*. Ангельський О.В., Домініков М.М., Тарновецький В.В. О возможных путях решения фазовой задачи // Тез. докл. Респ. Конф. ”Голографический анализ объектов и сред”, жовтень. 1988.-Чернівці, 1988.- C. 1.

14*. Домініков М.М., Стринадко М.Т. Корреляционный метод диагностики отклонения формы шероховатой поверхности / / Тез. докл. Международной конференции “LAMILADIS’ 91”, квітень. 1991.-Чернівці, 1991.- C. 14.

АНОТАЦІЇ

Домініков М.М. Відновлення макропараметрів сильнорозсіюючих об’єктів за спекл-полем із використанням опорної хвилі. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 – оптика, лазерна фізика. – Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича, Чернівці, 2005 р.

Дисертація присвячена розв’язку проблеми відновлення макропараметрів сильнорозсіюючих об’єктів (СРО) за спекл-полем. Обґрунтовано і реалізовано ряд методів із застосуванням опорної хвилі, що покращують співвідношення сигнал/шум при відновленні макроформи та поляризаційного розподілу поля СРО. Досліджено вплив рівня інтенсивності співвісно накладеної опорної хвилі на ширину спектра просторових частот відновленого зображення СРО. Розроблені оптичні схеми пристроїв, які дозволяють відновити зображення поляризаційно-неоднорідних СРО. Відтворено макроформу віддаленого об’єкту, шляхом амплітудної модуляції спеклів із фазовим зсувом на .

Ключові слова: голографія, спекл-поле, макроформа, опорна хвиля, гетеродинування, поляризація, ізофоти.

Домиников Н.Н. Восстановление макропараметров сильнорассеивающих объектов по спекл-полю с использованием опорной волны. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.05 – оптика, лазерная физика. – Черновицкий национальный университет имени Юрия Федьковича, Черновцы, 2005 г.

Результаты, представленные в диссертационной работе, направлены на решение проблемы восстановления макропараметров сильнорассеивающих объектов (СРО) по спекл-полю. Исследован механизм воздействия плоской опорной волны на пространственно-частотное распределение объектного поля в плоскости регистрации. Установлено, что соосно наложенная на объектное поле плоская опорная волна обуславливает неоднородное по полю пространственно-частотное распределение интенсивности. Следствием интерференционного сложения разных пространственных частот рассеянного поля с опорной волной (пространственного гетеродинирования) и установлением периода модуляции в области геометрической тени объекта вдвое большим за период на краях, является формирование в центральной части зарегистрированной спеклограмы макроформы исследуемого рассеивающего объекта, который визуально распознается до угловых размеров ~0,05рад. Исследовано влияние уровня интенсивности соосно наложенной опорной волны на ширину спектра пространственных частот восстановленного поля. Показано, что расширение спектра пространственных частот происходит за счет удвоения частоты модуляции амплитудного пропускания голограммы при ее записи без опорной волны. Информативность спеклограмы СРО, зарегистрированной с соосно наложенной опорной волной, показала, что качество восстановленного изображения исследуемого объекта, в нулевом порядке, возрастает с увеличением отношения интенсивностей опорной и объектной волн и становится оптимальным при отношении большем 5:1. Управление интенсивностью опорного поля позволило ограничить влияние нелинейных искажений при голографической записи информации и получить при восстановлении практически неискаженное изображения СРО. Компьютерное моделирование и анализ с использованием вейвлет преобразования подтвердили полученные экспериментальные результаты. Показана возможность восстановления тонкой голограммой изображения поляризационно-неоднородного СРО при использовании двух ортогонально поляризованных опорных волн, которые сходятся в плоскости регистрации под углом . Проведенный анализ показал однозначность восстановления поляризации при условии отклонения азимута поляризации объектного поля в пределах азимута поляризации опорных волн. Оценка разрешающей способности метода показала, что разделяются волны, разница азимутов поляризаций которых больше . Показана возможность регистрации продольной составляющей электрического вектора поля в предложенных оптических схемах. Экспериментально исследованы критические условия получения изображений удаленных объектов в условиях фазовых искажений на пути распространения лазерного сигнала. Показано, что улучшить отношение сигнал/шум при восстановлении информативной части спектра возможно посредством представления зарегистрированного спекл-поля изофотами. Перераспределение спектра информативных составляющих восстановленного оптического поля из нулевого в 1-й порядок дифракции, вследствие уменьшения периода пространственной модуляции, позволило увеличить отношение сигнал/шум и улучшить распознавание. Получить изображение объекта в 1-м порядке дифракции возможно после дополнительной обработки спеклограмы. Амплитудная модуляция спеклов решеткой с фазовым сдвигом на , позволила при считывании спеклограмы восстановить в ±1-м порядке дифракции изображение объекта. Моделирование процесса на ЭВМ подтвердило аналогию предложенного метода с методом, где роль модулятора выполняет опорная волна.

Ключевые слова: голография, спекл-поле, макроформа, опорная волна, гетеродинирование, поляризация, изофоты.

Dominikov M.M. Reconstruction of macroparameters of strongly diffusing objects on a speckle-field using a reference wave. – Manuscript.

Thesis for the degree of PhD (Candidate of Mathematics and Physics). Specialization 01.04.05 – Optics, Laser Physics. – National Yurii Fed’kovich’s Chernivtsy University, Chernivtsy.

The dissertation is devoted to solving the problem of reconstruction of macroparameters of strongly diffusing objects (SDО) on a speckle-field. It is grounded and implemented the set of the advanced techniques with using a reference wave, which improved the signal-to-noise ratio at reconstruction of the macroform and polarizing distribution of SDО field. There has been investigated the influence of intensity of coaxially imposed reference wave on the width of a spectrum of spatial frequencies of SDO reconstructed image. There have been developed optical arrangements of devices which allow reconstruction the image polarization-anisotropic SDО. The macroform of the removed object is reproduced by amplitude modulation of speckles with a phase shift.

Keywords: holography, speckle–field, macroform, reference wave, heterodyning, polarization, isophots.

Свідоцтво про державну реєстрацію ДК № 891 від 08.04.2002 р.

Підписано до друку 15.03.2005. Формат 60х84/16.

Папір офсетний. Друк офсетний. Умов. друк. арк. 1,09

Обл.-вид. арк. 1,17 Зам. 019-п . Тираж 100.

Друкарня видавництва “Рута” Чернівецького національного університету

58012, Чернівці, вул. Коцюбинського, 2.