Введение к работе
Актуальность темы
Цифровая голография (ЦТ) применяется во многих областях науки и техники для неразрушающих исследований различных объектов, в том числе физических неодиородностеи, деформаций, трехмерной структуры объектов различной физической природы и др., в частности трехмерной микроструктуры биологических объектов. Современные методы ЦТ имеют высокое разрешите, 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:
-
Анализ существующих методов записи голограмм для различных типов объектов и методов восстановления информации об амплитуде и фазе объектной волны из голограмм.
-
Создание оптической схемы регистрации цифровых голограмм объектов в проходящем свете на двух длинах волн с квазиортогональным расположением плоскостей падения излучения на различных длинах волн.
-
Создание и исследование метода реконструкции цветных изображений из одной голограммы, записанной на двух длинах волн, с использованием компьютерной фокусировки.
-
Исследование и реализация метода записи калибровочных данных для совмещения изображений на двух длинах волн.
-
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 ЦГ с квазиортогональным расположеігаем 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 па 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:
-
Схема записи голограмм на двух длинах волн с квазиортогональным расположением плоскостей падения излучения на различных длинах волн.
-
Метод восстановления цветных изображений из одной голограммы, зарегистрированной на двух длинах волн.
-
Метод записи дополнительных калибровочных данных для совмещения изображений, восстановленных из голограммы, зарегистрированной на двух длинах волн.
-
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 (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 Tsinghua Optics and Photonics Conference (Hsinchu, Taiwan, 2011), The 5' Finnish-Russian Photonics and Laser Symposium — PALS 2011 (St. Petersburg, 2011), The 3rd Interneational Topical Meeeting on Optical Sensing and Artincal 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.
