автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Формирование и анализ параметров когерентных световых полей методами цифровой голографии для бесконтактного контроля объектов

005059203

На правах рукописи

/

Гендин Владислав Геннадьевич

ФОРМИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ КОГЕРЕНТНЫХ СВЕТОВЫХ ПОЛЕЙ МЕТОДАМИ ЦИФРОВОЙ ГОЛОГРАФИИ ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО КОНТРОЛЯ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.11.07 Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1В МАЙ ¿013

Санкт-Петербург - 2013 г.

005059203

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Гуров Игорь Петрович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Дмитриев Александр Леонидович (НИУ ИТМО)

Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Лопатин Александр Иосифович (ОАО "ЛОМО")

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук

Защита состоится 21 мая 2013 года в 15-30 на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптаки по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. 14, ауд. 314а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Автореферат разослан 19 апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.227.01, к.т.н., доцент

Красавцев В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

Топографический 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 многоволповой 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:

1. Анализ существующих методов записи голограмм для различных типов объектов и методов восстановления информации об амплитуде и фазе объектной волны из голограмм.

2. Создание оптической схемы регистрации цифровых голограмм объектов в проходящем свете на двух длинах волн с квазиортогональным расположением плоскостей падения излучения на различных длинах волн.

3. Создание и исследование метода реконструкции цветных изображений из одной голограммы, записанной на двух длинах волн, с использованием компьютерной фокусировки.

4. Исследование и реализация метода записи калибровочных данных для совмещения изображений на двух длинах волн.

5. 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

1. Создание и исследование системы ЦГ 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.

2. Создание метода разделения голограммы, записанной па двух длинах волн, по длинам волн для последующей реконструкции из них цветных изображений.

3. Создание метода записи калибровочных данных для совмещения изображений на различных длинах волн.

4. 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:

1. Схема записи голограмм на двух длинах волн с квазиортогональным расположением плоскостей падения излучения на различных длинах волн.

2. 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 ЦГ. 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 ЦГ.

Внедрение результатов работы

Результаты работы использованы при выполнении НИР "Оценка состояния и диагностика биотканей неинвазивными высокоразрешающи-

ми методами оптической когерентной томографии и трехмерной микроскопии" (тема НИЧ 310336) по государственному контракту № 11.519.11.2023 от 21.10.2011 г. и НИР "Формирование, анализ и представление трехмерных изображений в информационно-телекоммуникационных системах" (тема НИЧ 310335) по государственному контракту № 07.514.11.4058 от 13.10.2011 г. в рамках федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям 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 (Сата>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 Interneational 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 ii 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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении сформулированы актуальность работы, ее цель, основные решаемые задачи, результаты, выносимые на защиту, а также сведения о научной новизне и практической ценности работы, методах исследования, вкладе автора в полученные результаты, сведения об апробациях и публикациях результатов, их внедрении, описаны структура и объем работы.

В Первой главе приведены результаты анализа существующих методов ЦГ. Приводятся основные схемы регистрации голограмм, описаны методы реконструкции голограмм и особенности исследования объектов методами ЦГ.

Методы голографии известны с 1948 года, однако методы ЦГ отличаются средствами обработки, и имеют ряд особенностей. Анализ этих особенностей методов ЦГ важен для записи и восстановления объектов различного геометрического масштаба. При записи возможно использование различных оптических схем. В ЦГ используется два основных вида голограмм: голограммы Фурье и голограммы Френеля. Запись голограмм Фурье осуществляется только в проходящем свете, что накладывает ограничения на тип объектов: этим методом возможно исследовать лишь прозрачные объекты. Также известно, что при записи голограмм Фурье возможно исследование только плоских объектов, в отличие от голограмм Френеля, в которых возможно получение информации о толщине и рельефе объекта. Этот факт является основополагающим при выборе типа голограмм в областях применения, где требуется восстановление трехмерного рельефа объекта. Голограммы Френеля могут быть как внеосевыми, так и соосными. При записи голограмм целесообразно выбирать выбор схемы для записи внеосевых голограмм Френеля, позволяющие легко разделять порядки дифракции.

На практике целесообразно использование схем записи голограмм на основе интерферометров Майкельсона и Маха-Цецдера, поскольку такие схемы хорошо исследованы и обладают известными свойствами и методиками юстировки.

В диссертационной работе для исследования полупрозрачных или прозрачных объектов, в том числе биологических, используется схема,

основанная на интерферометре Маха-Цендера, с целью обеспечения возможности проведения исследования объектов в проходящем свете.

Восстановление изображения из голограммы, как известно, состоит в восстановлении распределения интенсивности и фазы объектной волны. Основным выражением для численного восстановления изображений в ЦГ в соответствии со скалярной теорией дифракции в параксиальном приближении Френеля является интеграл Рэлея-Зоммерфельда:

://Л(дс,>)А(х,^)ехр +(л-у)1]

^о-« _ ла

сЬЫу, (1)

где £?(£,, л) — восстановленное дифрагированное поле, соответствующее объектной волне в плоскости изображения (£,г|) > А, — длина волны излучения источника, с1 — расстояние от объекта до матрицы видеокамеры, К(х,у) — комплексная амплитуда опорной волны, И(х,у) — распределение интенсивности в плоскости голограммы.

Выражение (1) позволяет вычислить комплексное поле 0(с^,г\) на расстоянии с! от плоскости голограммы, зная которое можно найти интенсивность 7(£,г|) и фазу ф(£,,т1) восстановленного изображения:

1&ц) = \0Ы\2, (2)

(3)

Поскольку вычисление интеграла Рэлея-Зоммерфельда (1) весьма ресурсоемко, то вместо него принято использовать различные приближения. При использовании метода свертки реконструируемая волна определяется как свертка произведения опорной волны и распределения интенсивности плоскости голограммы И{х, у) с импульсной функцией отклика оптической системы. При этом размер пикселя восстановленного изображения всегда будет совпадать с размером пикселя голограммы, однако существует ограничение на максимальное расстояние между плоскостью регистрации и объектом. Также следует отметить, что метод свертки требует выполнения двух преобразований Фурье, что повышает его ресурсо-емкость. Указанных недостатков лишен метод Френеля. Реконструированная объектная волна в приближении Френеля, записанная с использованием преобразования Фурье, может быть представлена в форме:

¡—{х'+у1)

где 3 - оператор прямого преобразования Фурье, к(х, у) = еи -

квадратическая фазовая функция пространственного распространения волны.

Важно отметить, что при использовании метода Френеля размер пикселя восстановленного изображения зависит от длины волны, однако не существует ограничения на максимальное расстояние между плоскостью регистрации и объектом. Из (4) видно, что при использовании метода Френеля требуется только одно преобразование Фурье, что является дополнительным преимуществом метода. Ввиду указанного преимущества в диссертационной работе для восстановления изображений из голо-1рамм используется метода Френеля.

Для получения изображения объекта в цвете требуется записать две или более голограммы на разных длинах волн с последующим совмещением реконструированных изображений. С учетом того, что при реконструкции голограмм методом Френеля, записанных на различных длинах волн, размер минимального элемента восстановленного изображения зависит от длины волны, требуется корректировка параметров алгоритма реконструкции изображения и голограммы для точного совмещения изображений. Последовательная регистрация нескольких голограмм накладывает ограничения на применение этого метода, например, для динамических объектов. Преодолеть указанный недостаток позволяет предлагаемый автором метод регистрации цифровой голограммы одновременно на двух длинах волн с квазиортогональным расположением плоскостей падения излучения на различных длинах волн.

Для получения цветного изображения необходимо выполнить совмещение изображений, полученных на разных длинах воли. В работе предлагается выполнять эту операцию с использованием дополнительных калибровочных данных, записатшх в голограмму.

В ЦТ возможно осуществлять запись дополнительной информации, содержащей калибровочные данные и другие дополнительные сведения. В этой связи целесообразно проанализировать возможность записи дополнительных данных и методы для осуществления записи.

Вторая глава посвящена описанию и исследованию параметров источника излучения, видеокамеры, основных элементов оптической схемы и основных зависимостей, возникающих при реконструкции изображений из голограмм. Приводится теоретическое описание предлагаемого автором метода формирования изображений объектов на двух длинах

волн с записью лишь одной голограммы и возможностью получения цветного изображения. Представлены теоретические основы предлагаемых автором методов записи калибровочных и других дополнительных данных в голограммы и изображения, восстановленные из голограмм.

На рис. 1 представлена предлагаемая в работе схема записи голограмм на двух длинах волн с квазиортогональным расположением плоскостей падения излучения на двух длинах волн (лучи приходят на плоскость регистрации с разных сторон).

Рис. 1. Оптическая схема установки для внеосевой записи

голограмм: 1,10 — источник излучения, 2 — фильтр пространственных частот, 3 — зеркало, 4, 8 — светоделитель, 5 - объект, 6,1 — линза, 9 - видеокамера

Угол между опорной и объектной волной а должен удовлетворять условию:

где Ь^ = .А/Ах - линейный размер матрицы видеокамеры, N — количество пикселей матрицы видеокамеры вдоль оси х, Ах — линейный размер пикселя матрицы видеокамеры, й > Жх2Д — минимальное расстояние между плоскостью регистрации и объектом. Для использованных в работе значений &х= 8,3 мкм, N = 1164 угол а равен 3°40' и расстояние с1 составляет 14,6 см.

Важно отметить, что расстояние <1 влияет на фокусировку восстановленного изображения. Расстояние с10, соответствующее наилучшей фокусировки на объекте выбирается согласно условию:

с!0 = агётахиг(с1), (6)

л

| АГ-1 Л^—1

где а = —— У У [/(£,, г))- <1>]2, < I > — средняя интенсивность пикш Е.-0 п=о

селей изображения.

Для получения цветного изображения записанную голограмму необходимо разделить на две голограммы по длинам волн и восстановить эти голограммы независимо. Разделение производится в области пространственных частот путем выделения голограммы, соответствующей нужной длине волны:

к<Ъ\х,у) = (7)

где (^''(¡^т!) — маска для первой длины волны, к(ХгХ^(х,у) — голограмма, записанная на двух длинах волн.

Алгоритм формирования маски во состоит в записи отдельных голограмм без объекта для различных длин волн (gi}'{\x,y) и g('l2)(x,у)), вычислении спектров пространственных частот т|) и С(>'2)(^,г]))

для каждой голограммы с последующим вычислением маски для каждой длины волны:

С^&Ю- Г а\Т' РЬ' (8)

|0,|С(х'>(4,т,)|<е.

После восстановления голограммы необходимо выполнить совмещение полученных амплитудных изображений для получения цветного изображения.

Перед совмещением изображений требуется корректировка размера пикселя восстановленного изображения из-за зависимости размера пикселя восстановленного изображения от длины волны. Совмещение изображений, полученных на различных длинах волн, осуществляется с учетом того, что мнимые изображения на различных длинах волн располагаются в разных местах восстановленного изображения. Решение этой задачи выполняется с помощью предложенного автором метода записи калибровочных данных на двух длинах волн. Калибровочные данные представляют собой объект с известными размерами и параметрами, который записывается при тех же условиях, что и объекты исследования. Калибровочное изображение необходимо выбирать таким образом, чтобы оно было не инвариантно к аффинным преобразованиям. По восстановленным изо-

бражениям калибровочных данных вычисляется смещение на одной длине волны относительно другой.

Помимо калибровочных данных, часто в голограмму необходимо добавлять дополнительные сведения об объекте исследования. Дополнительная информация может быть включена в изображения, восстановленные из голограммы, без внесения искажений в эти изображения.

Запись дополнительных данных предлагается осуществлять в виде голограммы на основе этих данных. Дополнительные данные могут внедряться как в изображения в оттенках серого, так и в цветные изображения. Процесс записи дополнительных данных представлен схематически на рис. 2.

Преобразова-

а)

Исходное изображение или голограмма

Перевод 8 цветовое пространство с отдельным яркостаым каналом

Синтез голограммы

Цветовые каналы за исключением яркостного

Перевод пространство КС В для визуализации

Дополнительные данные

Голограмма дополнительных данных

Исходное изображение с дол. данными

б)

Рис. 2. Схема методов записи дополнительных данных в изображения в оттенках серого (а) и цветные изображения (б)

Встраивание дополнительных данных в изображения также может быть реализовано с использованием оптической схемы. Для этого была предложена и создана установка, которая при записи позволяет наклады-

12

вать топографическое изображение на изображение, записываемое на видеокамеру (рис. 3). Дополнительный источник 1 позволяет регулировать соотношение интенсивностей излучения обоих пучков. В работе проведено исследование влияния соотношения интенсивностей пучков на качество восстановления дополнительных данных.

2_ 7

6 ! \5 \ 7

Рис. 3. Принципиальная схема встраивания дополнительных данных: 1 —источник излучения, 1 —линза, 3 — голограмма (транспарант), 4 - светоделитель, 5 —объектив, 6 - видеокамера, 7 — объект

Этот же принцип был реализован для оптической записи дополнительных данных в голограммы в момент их регистрации. Схема записи голограммы на двух длинах волн с оптической записью дополнительных данных представлена на рис. 4.

Ш 3(1)

Рис. 4. Оптическая схема для регистрации голограмм на двух дайнах волн

с записью дополнительных данных: 1, 13 — источники излучения, 2 - пространственный фильтр, 3 — плоские зеркала, 4, 8 - светоделители, 5 — объект, 6,7— линза, 9 — видеокамера, 10 — источник некогеренетного излучения, 11 - объектив, 12 — голограмма дополнительных данных

В Третьей главе представлены результаты экспериментальной проверки созданных схем и методов. Представлены результаты имитационного моделирования путем компьютерного синтеза цифровых голограмм с использованием предложенного автором метода получения изображений с информацией о цвете на двух дайнах волн из одной голограммы и метода записи калибровочных данных. Приводятся экспериментальные примеры записи калибровочных данных.

Результаты имитационного моделирования представлены на рис. 5. На спектре (рис. 5(в)) видно, что компоненты, соответствующие разным длинам волн, находятся в разных частях спектра, ввиду чего их можно разделить.

И

а) б) в)

Рис. 5. Исходный объект для моделирования (а), голограмма (а) и ее

спектр (б)

После разделения спектров производится процедура восстановления изображений методом Френеля для каждой из голограмм. На рис. 7 представлены результаты восстановления разделенных голограмм для каждой из длин волн и результат совмещения изображений на двух длинах волн. Видно, что при использовании двух длин волн различимы все элементы изображения.

а) ' б) в)

Рис. 6. Результаты восстановления разделенных голограмм для каждой из длин волн (а)-(б) и результат формирования изображения на двух длинах

волн (в)

Применительно к записи дополнительных данных была исследована устойчивость восстановления дополнительных данных к внешним воздействиям. Для количественного сравнения результатов восстановления введен критерий качества восстановленного изображения в виде коэффициента корреляции между исходным изображением дополнительных данных и результатом их восстановления из изображений, подвергнутых различным искажениям.

На графиках, приведенных на рис. 7, представлены зависимости коэффициента корреляции от степени влияния внешних воздействий.

•е _

-е- е-

20 30 40 50

Степень затемнения изображения, %

а)

I 0,8

я

% 0,6

0,4 0,2

70

5 7 9

СКО шума исходного изображения

б)

10

80 85 90 92 94 95 96 98 100 Степень качества JPEG. %

в)

Рис. 7. Зависимость коэффициента корреляции исходного изображения дополнительных данных и результата их восстановления из изображений от степени затемнения изображения (а), влияния шума (б) и качества JPEG-сжатия (в)

Применительно к методу оптического внедрения дополнительных данных проведено экспериментальное исследование зависимости качества восстановления дополнительных данных от соотношения интенсивно-стей пучков (рис. 8). Из графика видно, что чем больше относительная интенсивность пучков, тем выше качество восстановления дополнительных данных, однако большая интенсивность пучка, прошедшего через голограмму, вносит большие искажения в само изображение. В связи с этим стоит вопрос в выборе соотношения пучков в зависимости от решаемой задачи.

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Соотношение интенсивностей пучков

Рис. 8. Зависимость коэффициента корреляции от соотношения объектного пучка и пучка, прошедшего через голограмму

В Четвертой главе представлены результаты исследования объектов с использованием созданной системы ЦГ, а также примеры записи дополнительных данных на основе предложенных автором методов.

С помощью разработанных методов была произведена экспериментальная проверка созданных систем ЦГ, для чего были записаны голограммы различных цветных объектов на двух длинах волн и произведено их восстановление. Пример голограммы, записанной на двух длинах волн, и восстановленное из нее изображение представлены на рис. 9.

Рис. 9. Голограмма (а) и восстановленное из нее изображение на двух

длинах волн (б)

Для подтверждения достоверности результатов было проведено исследование воспроизводимости результатов, получаемых в созданной системе ЦТ. Для проверки воспроизводимости результатов измерений была записана серия голограмм одного и того же объекта в идентичных условиях, но в различные моменты времени. В результате было установлено, что при многократных измерениях результаты воспроизводятся с точностью до четырех градаций серого при 8-битовом представлении.

Для проверки методов записи дополнительных данных в полученные голограммы и изображения, восстановленные из них, были записаны дополнительные данные. На рис. 10 представлены результат восстановления дополнительных данных, записанных в голограмму, приведенную на рис. 9(а), и результат восстановления дополнительных данных, записанных оптически.

тт

а) б)

Рис. 10. Результаты восстановления дополнительных данных, записанных цифровым (а) и оптическим (б) способами

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

В диссертационной работе разработаны и исследованы методы цифровой голографии для получения цветных изображений объектов из одной голограммы и методы записи дополнительных данных в голограммы и изображения объектов исследования и получены следующие результаты:

1. Реализована схема записи внеосевых голограмм в проходящем свете и метод реконструкции изображений из голограмм с использованием компьютерной автофокусировки.

2. Разработана и исследована система ЦТ для получения цветных изображений объектов из одной голограммы с квазиортогональным расположением плоскостей падения излучения различных длин волн, предложен и реализован метод разделения голограммы по длинам волн, предложен и реализован метод записи калибровочных данных для совмещения изображений, получаемых из голограммы на двух длинах волн.

17

3. Предложен и исследован метод записи дополнительных данных в изображения в оттенках серого и цветные изображения и исследована устойчивость восстановления дополнительных данных к внешним воздействиям.

4. Разработана и исследована система оптической записи дополнительных данных в изображения и голограммы.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в журналах из перечня ВАК:

1. Гендин В.Г. Определение малых смещений поверхности объектов методом цифровой голографии // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2012. № 2 (78). С. 28-32.

2. Гендин В.Г., Гуров И.П. Цифровая голографическая микроскопия: современные методы регистрации голограмм микрообъектов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2012. № 3 (79). С. 19-27.

Публикации в других изданиях:

3. Гендин В.Г. Формирование и идентификация изображений со встроенными водяными знаками методом цифровой голографии // Труды научно-технического центра Фотоники и оптоинформатики / Под ред. И.П. Гурова и С.А. Козлова. СПб: СПбГУ ИТМО. 2009. С. 406-415.

4. Гендин В.Г. Формирование и идентификация скрытых гологра-фических водяных знаков в JPEG-изображениях II Труды конференции ГрафиКон - 2010. СПб: СПбГУ ИТМО. 2010. С. 344-345.

5. Гендин В.Г. Формирование и идентификация изображений со встроенными водяными знаками в оптико-электронной топографической системе // Труды VI международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики» «ФПО - 2010» / СПб: СПбГУ ИТМО. 2010. С. 303-305.

6. Гендин В.Г. Исследование помехоустойчивости метода внедрения скрытых топографических водяных знаков на основе вейвлет-преобразования // Труды научно-технического центра Фотоники и оптоинформатики Сб. статей. Вып. 2 / Под ред. И.П. Гурова и С.А. Козлова. СПб: СПбГУ ИТМО. 2010. С. 335-339.

7. Gendin V. Non-contact measurement of surface displacements with nanometer sensitivity based on digital holography method // Technical Digest of Finnish-Russian Photonics and Lasers Symposium (PALS'2011). 2011. P. 89-90.

8. Gendin V., Gurov I., Margaryants N., Santalina I., Volynsky M., Zhukova E. Combined use of digital holography and optical coherence microscopy methods for investigating biological objects // Technical Digest of 3rd In-

ternational Topical Meeting on Optical Sensing and Artificial Vision (OSAV'2012). 2012. P. 77-78.

9. Dayneko M., Gendin V., Santalina I. Study of biological objects in digital holography by use of the synthetic wavelength // Technical Digest of 3rd International Topical Meeting on Optical Sensing and Artificial Vision (OSAV'2012). 2012. P. 92.

10. Dayneko M., Gendin V., Santalina I. The dependence of results of image reconstruction and parameters of radiation detectors in digital holography // Technical Digest of 3rd International Topical Meeting on Optical Sensing and Artificial Vision (OSAV'2012). 2012. P. 105.

Свидетельства о государственной регистрации программ для

ЭВМ:

11. Гендин В.Г. Синтез голограмм Френеля произвольных объектов // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012617188 от 10.08.2012 г.

12. Гендин В.Г. Восстановление трехмерной информации об объекте из цифровой голограммы Френеля // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012617298 от 14.08.2012 г.

1

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49. Тел. (812) 233 46 69 Объем 1 пл.

Тираж 100 экз.

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики

ФОРМИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ КОГЕРЕНТНЫХ СВЕТОВЫХ ПОЛЕЙ МЕТОДАМИ ЦИФРОВОЙ ГОЛОГРАФИИ ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО КОНТРОЛЯ ОБЪЕКТОВ

05.11.07 - «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

04201358278

На правах рукописи

Гендин Владислав Геннадьевич

Научный руководитель д.т.н., проф. И.П. Гуров

Санкт-Петербург, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

ПРИЛОЖЕНИЕ А. ОПИСАНИЕ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ВОССТАНВОЛЕНИЯ

ИЗОБРАЖЕНИЙ В ЦИФРОВОЙ ГОЛОГРАФИИ..........................................106

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.....................................................................109

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Цифровая голография (ЦТ) применяется во многих областях науки и техники для неразрушающих исследований различных объектов, в том числе физических неоднородностей [1], деформаций [2], трехмерной структуры объектов различной физической природы [3, 4] и др., в частности трехмерной микроструктуры биологических объектов [3, 5-7]. Современные методы ЦТ имеют высокое разрешение [8, 11, 12], ввиду чего являются перспективными для материаловедения и биомедицины и активно развиваются в ведущих научных лабораториях мира в течение последних лет [1, 3, 5, 6, 12-16].

Голографический способ записи и воспроизведения амплитуды и фазы объектной волны впервые предложен Д. Габором в 1948 г. [2], а идея применения компьютерной обработки для восстановления голографически записанного изображения была впервые предложена Дж. Гудменом и Р. Лоуренсом в 1967 г. [16], а позднее получила развитие в работах Р.В. Кронрода, Л.П. Ярославского и др. [17-19].

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. Ферраро [7, 20], И. Ямагучи и др. [21, 22]. 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 быстропротекающих процессов, что особенно важно для исследования живых систем.

При исследовании различных объектов формируется большое количество изображений, поэтому необходимо иметь возможность записывать 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:

1. Анализ существующих методов записи голограмм для различных типов объектов и методов восстановления информации об амплитуде и фазе объектной волны из голограмм.

2. Создание оптической схемы регистрации цифровых голограмм объектов в проходящем свете на двух длинах волн с квазиортогональным расположением плоскостей падения излучения на различных длинах волн.

3. Создание и исследование метода реконструкции цветных изображений из одной голограммы, записанной на двух длинах волн, с использованием компьютерной фокусировки.

4. Исследование и реализация метода записи калибровочных данных для совмещения изображений на двух длинах волн.

5. 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 цифровой голографии 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:

1. Схема записи голограмм на двух длинах волн с квазиортогональным расположением плоскостей падения излучения на различных длинах волн.

2. 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 высокоразрешающими методами оптической когерентной томографии и трехмерной микроскопии" (тема НИЧ 310336) по государственному контракту № 11.519.11.2023 от 21.10.2011 г. и НИР "Формирование, анализ и представление трехмерных изображений в информационно-телекоммуникационных системах" (тема НИЧ 310335) по государственному контракту № 07.514.11.4058 от 13.10.2011 г. в рамках федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям 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

______tVi

Tsinghua Optics and Photonics Conference (Hsinchu, Taiwan, 2011), The 5 Finnish-Russian Photonics and Laser Symposium - PALS 2011 (St. Petersburg, 2011), The 3rd International 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.

В Первой главе приведены результаты анализа существующих методов ЦТ. Приводятся основные схемы регистрации голограмм, описаны методы реконструкции голограмм и особенности исследования объектов методами ЦТ.

Вторая глава посвящена описанию и исследованию параметров источника излучения, видеокамеры, основных элементов оптической схемы и основных зависимостей, возникающих при реконструкции изображений из голограмм. Приводится теоретическое описание предлагаемого автором метода формирования изображений объектов на двух длинах волн с записью лишь одной голограммы и возможностью получения цветного изображения. Представлены теоретические основы предлагаемых автором методов записи калибровочных и других дополнительных данных в голограммы и изображения, восстановленные из голограмм.

В Третьей главе представлены результаты экспериментальной проверки созданных схем и методов. Представлены результаты имитационного моделирования путем компьютерного синтеза цифровых голограмм с использованием предложенного автором метода получения изображений с информацией о цвете на двух длинах волн из одной голограммы и метода записи калибровочных данных. Приводятся экспериментальные примеры записи калибровочных данных.

В Четвертой главе представлены результаты исследования объектов с использованием созданной системы ЦТ, а также примеры записи дополнительных данных на основе предложенных автором методов.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ЦИФРОВОЙ ГОЛОГРАФИИ ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО КОНТРОЛЯ ОБЪЕКТОВ РАЗЛИЧНОГО ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО МАСШТАБА

Методы голографии известны длительное время, однако методы ЦТ отличаются средствами обработки, и имеют ряд особенностей [17,23]. Анализ этих особенностей методов ЦТ важен для записи и восстановления различных объектов. При записи возможно использование различных оптических схем и выбор наиболее подходящих требует детального рассмотрения.

В ЦТ возможно осуществлять запись дополнительных данных для повышения информационной емкости голограмм. В голограммы и изображения могут записываться время и дата записи голограммы, параметры установки, логотип организации и прочее. В этой связи целесообразно проанализировать возможность записи дополнительных данных и методы для осуществления записи.

1.1. Схемы регистрации голограмм для объектов различного геометрического масштаба

Методы регистрации цифровых голограмм основаны на принципах записи оптических голограмм, поэтому существует большое количество схем для записи цифровых голограмм [1, 24-29]. При этом в ЦТ используется два основных вида голограмм: голограммы Фурье и голограммы Френеля. Голограмма Фурье - это голограмма плоского объекта, записываемого с помощью опорного точечного источника, расположенного в плоскости объекта,