Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор методов голографической регистрации объемных ансамблей частиц 14
1.1. Основные голографические схемы 14
1.2. Возможности голографических методов 23
1.3. Существующий метод определения показателя преломления частиц с помощью голографии 28
1.4. Действующие погружаемые голографические камеры 31
1.5. Повышение контраста голографических изображений 42
1.6. Методы компенсации оптических искажений, возникающих в голографических изображениях при регистрации частиц, находящихся в жидких средах 48
1.6.1. Аппаратные методы компенсации оптических искажений 48
1.6.2. Расчет положения частицы в кювете при голографической регистрации в системе вода-стекло-воздух 52
Выводы к главе 59
2. Экспериментальные исследования возможности минимизации оптических искажений на этапе голографической регистрации 62
2.1. Оценка аберраций, возникающих во внеосевой голографической схеме 62
2.2. Лабораторный стенд для голографической регистрации частиц, расположенных в жидкости 71
2.3. Запись голограмм в зеленом свете (Х.=0,53 мкм) с последующим восстановлением в красном (Х,=0,63 мкм) и зеленом свете (XF0,54 мкм) 77
2.4. Запись голограмм в красном свете (Х.=0,63 мкм) с последующим восстановлением зеленом (А,=0,54 мкм) и в красном свете (А,=0,63 мкм) 86
Выводы к главе 89
3. Метод определения показателя преломления выпуклых прозрачных частиц произвольной формы по их голографическим изображениям 91
3.1. Описание метода 91
3.2. Экспериментальные исследования 93
3.3. Численная реализация метода 95
3.4. Результаты эксперимента 102 Выводы к главе 106
4. Имитатор погружаемой топографической камеры 107
4.1. Повышение контраста голографических изображений на этапе записи и восстановления 107
4.2. Имитатор погружаемой голографической камеры 115
4.3. Восстановление действительных голографических изображений 124
4.4. Регистрация осевых цифровых голограмм объектов, находящихся в жидкости 133 Выводы к главе 139
Заключение 140
Список использованной литературы 143
Приложение 1 152
- Существующий метод определения показателя преломления частиц с помощью голографии
- Расчет положения частицы в кювете при голографической регистрации в системе вода-стекло-воздух
- Запись голограмм в зеленом свете (Х.=0,53 мкм) с последующим восстановлением в красном (Х,=0,63 мкм) и зеленом свете (XF0,54 мкм)
- Регистрация осевых цифровых голограмм объектов, находящихся в жидкости
Введение к работе
Актуальность и состояние вопроса
Задача регистрации объемных ансамблей частиц актуальна в различных областях науки и техники (оптике атмосферного аэрозоля, экологии, биологии и т.д.). Минимальное возмущение исследуемого ансамбля частиц, высокое разрешение и глубина сцены, обеспечиваемые голографическими методами, а также возможность получения информации обо всем исследуемом объеме за одну экспозицию обусловило их применение при решении широкого класса задач [1 - 74], таких как измерение размеров частиц, определения их формы, концентрации в исследуемом объеме в лабораторных и натурных условиях [1 - 8], изучение процесса взаимодействия лазерного излучения с аэрозолем [10], исследование планктона в водной среде [1 - 4] и т.п. При этом в последней задаче, например, получаемая с помощью голографических методов информация о форме планктонных частиц обеспечивает их идентификацию и в совокупности с данными о размерах и распределении планктона в пространстве позволяет судить об экологическом состоянии исследуемого района. Методы голограмметрии были успешно применены для изучения распространения планктона в водной среде (Foster, Watson, Hobson и др., 1997 г. [2]). Известны эксперименты по измерению скорости частицы с помощью голографических методов (Barnhart и Adrian, 1994 [6]; Meng и Hussain, 1995 [7]; Zhang и др., 1997 г. [8]).
Подводное голографирование - это метод, включающий топографическую регистрацию частиц, находящихся в воде (в натурных условиях), с помощью погружаемых голографических камер [ 1 - 4,11,31,49, 53, 56] и последующее восстановление голографических изображений в лабораторных условиях. Затем восстановленное голофафическое изображение зарегистрированного объема исследуется по сечениям. В 1984 г. Malkiel, Katz и др. [1] разработали первую подводную голографическую систему, использующую импульсный рубиновый лазер, и применили её для измерения концентраций и размеров частиц в водах острова Catalina, Канада. Позднее Watson, Hobson и др. [3, 4] с помощью погружаемой голографической камеры «HOLOCAM» провели серию экспериментов, результаты которых внесли большой вклад в развитие топографических методов подводной регистрации.
Одной из особенностей метода подводной голографической регистрации [3, 4] является наличие в восстановленных изображениях оптических искажений, обусловленных тем, что на этапе записи в натурных условиях предметное излучение проходит путь от частицы (находящейся в воде) сквозь стекло иллюминатора к регистратору (расположенному в воздухе), а на этапе восстановления в лаборатории вода и иллюминатор отсутствуют [4]. В работах [4, 9] предложены и экспериментально апробированы соответственно аппаратный и численный методы компенсации оптических искажений, которые могут быть реализованы на этапе восстановления голограмм. Каждый из этих методов имеет свои особенности и область применения, тем не менее, использование в погружаемой голографической камере оптической схемы, позволяющей минимизировать возникающие искажения непосредственно на этапе регистрации голограмм, позволило бы упростить данную задачу.
В одной из двух погружаемых голографических камер, действующих в мире на сегодняшний день, используется внеосевая оптическая схема с освещением исследуемого объема на отражение, позволяющая получать информацию об исследуемых объектах в широком диапазоне углов [3, 4]. Это позволяет более детально исследовать отдельные частицы, но требует большой энергии источника излучения. При этом увеличиваются размеры погружаемой камеры и ее вес. В то же время информация, получаемая при помощи этой камеры, в большинстве задач является избыточной. Действительно, чаще всего необходима информация о концентрации, размерах и взаимном расположении частиц, которая может быть получена без обеспечения большого угла обзора частицы. Поэтому в большинстве случаев достаточно использовать, более простые схемы, достаточные для детектирования и идентификации ансамблей подводных частиц, при этом погружаемые топографические аппараты будут иметь меньшие весогабаритные характеристики.
Во второй из действующих в настоящее время погружаемых голографических камер реализована осевая геометрия записи, при которой накладывается ограничение на концентрацию частиц в исследуемом объеме
На сегодняшний день существуют и успешно применяются методы определения геометрических параметров (размера, формы, расположения в пространстве) частиц по их голографическим изображениям. В случае геометрически правильных прозрачных частиц (сфера, цилиндр) разработан метод определения их показателя преломления по голографическим изображениям [9], однако способы определения оптических параметров частиц произвольной формы еще не предложены. Возможность определения показателя преломления частиц произвольной формы с помощью голографических методов расширит их информативность и позволит бесконтактно исследовать оптические свойства частиц исследуемого объема.
Цель работы
Разработка методов голографической регистрации частиц, находящихся в водной среде, и извлечения информации с записанных голограмм о геометрических и оптических параметрах исследуемых частиц.
Основные задачи
1. Голографическая регистрация частиц, находящихся в воде, с помощью внеосевой голографической схемы с нормальным падением предметного пучка на фотопластину, в которой освещение исследуемого объема производится на просвет, для выяснения возможностей снижения оптических искажений, обусловленных различными значениями показателей преломления сред, в которых находился исследуемый объект и его восстановленное изображение.
2. Разработка и экспериментальная апробация метода определения показателя преломления выпуклых прозрачных частиц произвольной формы по их голографическим изображениям.
3. Разработка голографической схемы имитатора погружаемой голографической камеры, которая может применяться в погружаемом голографическом аппарате, обладающем меньшими весогабаритными характеристиками по сравнению с существующими аналогами. Проведение экспериментов с помощью имитатора погружаемой голографической камеры по голографической регистрации модельных объектов для определения разрешения и глубины сцены, обеспечиваемых используемой оптической схемой.
Научная новизна
1. Показано, что использование для регистрации частиц, находящихся в жидкости, внеосевои схемы с нормальным падением предметного пучка на плоскость регистрации голограммы, в случае, когда освещение исследуемого объема производится на просвет, позволяет снизить оптические искажения, присутствующие в восстановленных голографических изображениях, обусловленные различными значениями показателей преломления сред, в которых находилась исследуемая частица и ее восстановленное изображение.
Разработан и экспериментально апробирован метод определения показателя преломления выпуклых прозрачных частиц произвольной формы по их голографическим изображениям.
Разработана и экспериментально апробирована внеосевая схема имитатора погружаемой голографической камеры, в которой регистрация исследуемого объема производится на просвет с нормальным падением предметного пучка на плоскость регистратора.
4. Апробирован метод повышения контраста действительных голографических изображений на этапе их восстановления с помощью фильтрации пространственных частот. Экспериментально показано, что фильтрация пространственных частот на этапе восстановления голографических изображений позволяет повысить их контраст -1,7 раза.
Основные положения, выносимые на защиту
Внеосевая топографическая схема, в которой освещение исследуемого объема осуществляется на просвет, а предметный пучок падает на плоскость регистрации голограммы нормально, за счет малости углов падения предметных лучей позволяет пренебречь оптическими искажениями восстанавливаемых голографических изображений, обусловленными различными значениями показателей преломления сред, в которых находился исследуемый объект и его восстановленное изображение. Искажения действительных изображений голографируемых частиц находятся в диапазоне от 2 % до 10 % в зависимости от формы частиц.
Предложенный метод, основанный на геометрическом построении хода лучей в восстановленном голографическом изображении, позволяет определять показатель преломления выпуклых прозрачных частиц произвольной формы с точностью, близкой к точности экспериментальных измерений.
Реализованная в имитаторе погружаемой голографической камеры внеосевая оптическая схема с переносом изображения, регистрацией исследуемого объема на просвет и нормальным падением предметного пучка на плоскость регистрации голограммы, позволяет разрешать объекты размером более 100 мкм, при этом регистрируемый объем составляет около 1 л (при длине объема 500 мм).
Методы исследования
Для решения поставленных задач проводились экспериментальные исследования в лабораторных условиях. При разработке метода определения показателя преломления выпуклых прозрачных частиц произвольной формы по их голографическим изображениям использовались методы геометрической оптики, а при его реализации - аппарат аналитической геометрии и численные методы. Обработка результатов измерений и расчетов производилась с помощью методов математической статистики.
Достоверность результатов и выводов работы обеспечивается повторяемостью полученных экспериментальных данных, их согласием с имеющимися результатами экспериментальных исследований других авторов.
Научная ценность и практическая значимость
Экспериментальные результаты, полученные в настоящей работе, развивают существующее представление об эффектах, связанных с регистрацией и восстановлением голографических изображений в области подводной голографии ансамблей частиц.
Применение разработанной и апробированной в работе оптической схемы, преимущественно за счет использования в ней источника излучения с меньшей энергией импульса (30 мДж), позволяет обеспечить меньшие, по сравнению с зарубежными аналогами, весогабаритные характеристики погружаемого голографического аппарата.
Экспериментально подтверждена практическая эффективность повышения контраста голографических изображений объемных ансамблей частиц, находящихся на этапе регистрации в жидкости, методом фильтрации пространственных частот на этапе восстановления.
Предложенный в данной работе метод определения показателя преломления выпуклых прозрачных частиц произвольной формы по их голографическому изображению увеличивает информативность голографических методов и позволяет бесконтактно исследовать оптические свойства исследуемых частиц.
Результаты работы внедрены и используются в ФГУДП «НИПИокеангеофизика» (ГНЦ ФГУГП «Южморгеология», г. Геленджик), в Лимнологическом институте СО РАН (г. Иркутск), а также используются в учебном процессе в Томском государственном университете (г. Томск). В приложении приведены акты об использовании результатов работы.
Публикации и апробация работы
По материалам выполненных исследований вышли 20 публикаций, из них 2 статьи опубликованы в журнале «Оптика атмосферы и океана», 2 статьи - в журнале «Известия высших учебных заведений. Физика», остальные - в Трудах и Тезисах конференций. Результаты докладывались на Международных конференциях: VIII, XII Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана» (Иркутск 2001; Томск 2005); VII Международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков» (Москва, 2003); 3-я и 4-я Международная школа молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды» (Томск 2002, 2004); III Международная конференция «Фундаментальные проблемы физики» (Казань 2005); а также на Всероссийских конференциях: «Физика радиоволн» (Томск 2002), 9-я, 11-я «Всероссийская конференция студентов-физиков и молодых ученых» (Красноярск 2003, Екатеринбург 2005); V, VI Российская школа-семинар молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития» (Томск 2004, 2005); 1-я, 2-я «Конференция студенческого научно-исследовательского инкубатора» (Томск 2005, 2006); ICO Topical Meeting on Optoinformatics/In formation Photonics (St. Petersburg, 2006).
Вклад автора
Автор работы принимал прямое участие в проведении экспериментальных исследований, теоретическом обосновании и численной реализации метода определения показателя преломления выпуклых прозрачных частиц произвольной формы по их голографическим изображениям, а также в обработке и интерпретации полученных данных. Большинство экспериментов, оценок и расчетов выполнено автором лично.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю -кандидату физико-математических наук В.В. Демину за постановку задачи, формирование научного мировоззрения, внимание и поддержку, оказанные в ходе работы над диссертацией. Автор признателен своим соавторам и коллегам по работе, работа с которыми способствовала успешному достижению поставленной цели.
Работа выполнялась в период с 2001 по 2006 год на базе Томского государственного университета.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается актуальность, определяется тематика и формулируется цель работы, кратко излагаются основные задачи исследования и результаты, выносимые на защиту.
Первая глава представляет собой литературный обзор. Рассматриваются основные принципы голографии. Приведен обзор голографических схем.
Обсуждаются возможности оптических схем для голографической регистрации, с учетом использования в качестве регистраторов как фотоэмульсий, так и ПЗС-матриц.
Анализируется существующий метод определения показателя преломления частиц правильной формы (сфера, цилиндр) по их голографическим изображениям.
Приведен краткий обзор характеристик и особенностей действующих погружаемых голографических камер и экспериментальные данные, полученные в ходе их погружений.
Обсуждены целесообразность и пути повышения контраста голографических изображений при голографической регистрации частиц, находящихся в жидкости.
Рассмотрены искажения восстановленных изображений, обусловленные различными значениями показателей преломления сред, в которых находится исследуемый объект и его восстановленное изображение. Проанализированы способы их компенсации на этапе восстановления, как аппаратным путем, так и расчетным (последний случай подтвержден в данной работе экспериментально).
В заключение главы поставлены задачи исследования.
Во второй главе выполнены оценки оптических аберраций, возникающих во внеосевой голографической схеме, при регистрации частиц, находящихся в воде.
Описывается лабораторный стенд, на котором реализована внеосевая голографической схема с регистрацией исследуемого объема на просвет при нормальном падении предметного пучка на плоскость регистратора. Описана схема ввода восстановленных голографических изображений в ЭВМ.
Приведены результаты лабораторного эксперимента по регистрации в зеленом свете (Х,=0,53 мкм) модельных частиц различной формы, расположенных в воздухе или в воде на различных расстояниях от регистратора. С помощью численных методов проводилось сравнение не только действительных голографических изображений объектов, находящихся на этапе регистрации в воздухе или в воде, но и восстановленных в красном и зеленом свете (^.=0,63 мкм и ^=0,54 мкм, соответственно).
Третья глава посвящена предложенному автором данной работы методу определения показателя преломления выпуклых прозрачных частиц произвольной формы по их голографическим изображениям.
Приведен алгоритм метода, указаны особенности его реализации. Представлены результаты лабораторного эксперимента, проведенного для апробации предложенного метода.
В четвертой главе приведены результаты проведенных экспериментов по фильтрации пространственных частот на этапе записи и восстановления голограмм.
Описывается конструкция, названная имитатором погружаемой голографической камеры, которая моделирует основные модули погружаемого аппарата. В качестве оптической схемы в имитаторе используется внеосевая голографическая схема, в которой регистрация исследуемого объема производится на просвет при нормальном падении предметного пучка на плоскость регистратора. Приведены результаты лабораторных экспериментов по оценке разрешения и глубины сцены оптической схемы имитатора (в качестве объектов использовались модельные частицы различной формы, а также живые организмы, движущиеся в воде, которые на этапе регистрации располагалась в воздухе или в воде на различных расстояниях от регистратора).
Завершают главу результаты проведенных экспериментов по цифровой регистрации объектов (в т.ч. движущихся), располагавшихся в жидких средах.
В заключении формулируются основные результаты работы.
Приложение 1 содержит фотографии используемого в работе лабораторного стенда, а также фотографии действительных голографических изображений, полученные в главе 2.
В приложении 2 представлены результаты численных оценок экспериментальных данных, полученных в главе 2, приведены акты об использовании результатов работы.
Существующий метод определения показателя преломления частиц с помощью голографии
В восстановленном изображении на расстоянии f наблюдается точка фокусировки преломленного излучения. Расстояние f от центрального сечения а до точки фокусировки преломленного излучения есть функция от показателя преломления частицы п и окружающей среды rij: f = f(a, п, ги) (Рисунок 9 б).
Для сферической частицы эту связь можно получить из геометрического рассмотрения. Прозрачная частица представляет собой толстую линзу:
Выражение (13) справедливо для параксиального фокуса. Таким образом, измерив в голографическом изображении расстояние f, радиус частицы а и зная щ, можно определить показатель преломления частицы п. Если на этапе голографической регистрации исследуемая частица находится в кювете с жидкостью, то объектом голографирования является не сама частица, расположенная в точке О (Рисунок 10), а ее изображение, расположенное в точке Оь Поэтому точка параксиального фокуса F преломленных частицей лучей будет отличаться по координатам от ее наблюдаемого изображения F. В работе [9] показано, как связаны между собой расстояние OF (эквивалентное f в формуле (13)) и измеряемое в эксперименте расстояние OiFj.
Отмечается, что рассматривается точка фокусировки лучей, распространяющихся вблизи оптической оси системы. При этом при использовании микроскопа с ограниченной числовой апертурой все лучи, распространяющиеся под большими углами, будут виньетироваться оправой микрообъектива. Поэтому можно считать, что для углов уь у2, уз (Рисунок 11) выполняется условие tg у = sin у = у, и закон Снелиуса может быть записан в виде: Піуі = п2у2 = п3уз- Геометрический расчет приводит к выражению: описывающему связь между искомым параметром OF от центрального сечения частицы до точки фокусировки преломленных лучей и измеряемым в эксперименте расстоянием OJFJ.
Проведенные в работе [9] экспериментальные исследования по определению показателя преломления микрочастиц (100 - 200 мкм), располагавшихся на этапе голографической регистрации в различных средах (вода, глицерин), подтвердили работоспособность данного метода. Погрешность составляла 10 % и была обусловлена точностью измерения величины перефокусировки микроскопа.
Однако авторы [9] отмечают, что для частиц произвольной формы вид функции f = f(a, п, П) в аналитическом виде получить, как правило, сложно. Кроме этого, для определения показателя преломления частиц сложной формы, не обладающих фокусирующими свойствами, данная методика не применима.
Действующие погружаемые голографические камеры В настоящее время в мире известны две погружаемых камеры: в Европе [2 -4, 11, 53] и США [1, 4, 31, 56]. Одна из них «НОШСАМ», которую разработали Watson, Hobson и др. [3, 4], позволяет одновременно регистрировать один и тот же объем по осевой и внеосевой голографическим схемам. Во второй камере, которую разработали Malkiel, Katz и др. [1], используется осевая схема записи. Рассмотрим их основные особенности.
Элементы оптической схемы, лазер, источник питания и контроллер погружаемой голографической камеры «HOLOCAM» заключены в водонепроницаемый корпус, выполненный из нержавеющий стали. Оптическая схема «HOLOCAM» представлена на рисунке 11 и состоит из осевой и внеосевой голографических схем. При этом осевая схема позволяет регистрировать объем 3500 см3, а внеосевая - около 50 000 см3. Источник излучения для этого проекта был специально разработан специалистами из Quantel SA. Вторая гармоника Nd:YAG лазера, генерирующего на длине волны 532 нм, выбиралась авторами [2-4, 11, 53] таким образом, что бы соответствовать сине-зеленому окну прозрачности морской воды, и, тем самым, минимизировать ослабление и рассеяние лазерного излучения. Энергетические параметры источника излучения рассчитывались таким образом, чтобы гарантировать экспонирование больших объемов при использовании внеосевой схемы. Поскольку внеосевая схема на отражение требует больше энергии, нежели осевая (для регистрации с помощью которой достаточно энергии излучения 50 мДж), в конструкцию источника излучения входил усилитель. Таким образом, энергия лазерного импульса составляла 700 мДж. Кроме того, для записи голограмм движущихся объектов в морской среде авторам [2 - 4, 11, 53] была необходима длительность импульса порядка 10 - 15 не. Требуемая длительность импульса была получена с использованием модуляции, осуществляемой с помощью пассивного самопросветляющегося фильтра. Авторы [2-4, 11, 53] отмечают, что отказ от высоковольтных элементов для активной модуляции, снизил весогабаритные характеристики лазера. Для получения качественных голограмм с большой глубиной сцены, лазер был настроен на работу в режиме генерации одной продольной моды, длина когерентности составляла 2 м. На этапе настойки оптической схемы частота генерации лазера составляла 9 Гц.
Опорная плита лазера и опорная плита оптической системы «HOLOCAM» изготовлены из алюминиевого сплава идентичного состава. Это позволило избежать эффектов, которые могут возникнуть из-за различий в значениях термических и механических расширений. Автономный источник питания и система охлаждения расположены под основной оптической платформой, на отдельной плите. Излучение лазера линейно поляризовано в горизонтальной плоскости, но после отражений от поворотных зеркал пучок приобретает вертикальную поляризацию.
Расчет положения частицы в кювете при голографической регистрации в системе вода-стекло-воздух
В общем случае можно сказать, что при прохождении светового пучка через линзу осуществляется (с точностью до фазовых множителей) двумерное разложение Фурье предметного поля в спектр по пространственным частотам [80, 82]. Этот спектр выглядит как множество дифракционных максимумов и минимумов интенсивности в фокальной плоскости линзы. При дальнейшем распространении световых волн из фокальной плоскости происходит их перекрывание и интерференция, в результате чего осуществляется обратный спектральному разложению процесс - синтез пространственных гармоник предметного поля, приводящий к формированию изображения. Такая волновая картина формирования изображения открывает скрытые от геометрической оптики возможности преобразования изображений. Если в задней фокальной плоскости помещать различные маски - экраны с разного сорта отверстиями, то с точки зрения геометрической оптики просто пропускаются не все лучи от каждой из точек предмета [75, 80], и должна уменьшаться интенсивность изображения, но его структура не должна меняться. В тоже время из экспериментов известно, что введение масок может существенно изменить изображение. Это легко объяснить, потому что с волновой точки зрения масками фильтруется часть пространственных частот предметного поля на пути светового пучка через фокальную плоскость в плоскость изображения. В итоге в формировании изображения участвуют только оставшиеся после фильтрации частоты, и изображение уже не оказывается точной оптической копией предмета. Этим методом, открытие которого принадлежит Аббе [75, 80], можно изменять качество изображений в желаемую сторону. Например, если изображение засорено не представляющими интерес мелкими деталями, можно с помощью экрана с отверстием, расположенным в центре фокальной плоскости, отрезать высокие пространственные частоты и тем самым очистить изображение от нежелательных помех. Напротив, перекрыв низкие частоты в близких к центру точках фокальной плоскости, можно одчеркнуть в изображении мелкие детали и тем самым «оконтурить» крупные фрагменты изображения и т.д. [75, 80 - 82]
Используя данный метод на этапах записи и восстановления голограмм, можно повышать контраст голографических изображений. В схеме с переносом изображения (Рисунок 6) фильтрация пространственных частот осуществляется на этапе записи с помощью непрозрачной маски (либо щели), помещенной в общий фокус объективов системы переноса изображения [15,17-19] (подробнее об этом в главах 2 и 4).
Аппаратные методы компенсации оптических искажений Анализ работ [1 -4, П, 31, 53, 56, 83, 84] показывает, что основной причиной возникновения оптических аберраций при голографической регистрации частиц, расположенных в жидкости является то, что значение показателя преломления среды, в которой расположены исследуемые объекты на этапе регистрации голограммы, не соответствует значению показателя преломления среды, в которой происходит восстановление голографического изображения. Такие аберрации как астигматизм и кома ограничивают разрешение голограмм, записанных по внеосевой схеме, и затрудняют определение точного местоположения исследуемого объекта в восстановленном изображении. Метод, предназначенный для коррекции оптических искажений, возникающих при голографической регистрации частиц, расположенных в жидкости, должен включать в себя компенсацию различий в значениях показателей преломления сред, в которых осуществлялись запись и восстановление.
Один из методов основан на том, что, поскольку существует зависимость длины волны лазерного излучения от показателя преломления среды, в которой оно распространяется, то необходимо поддерживать отношение Х/п постоянным [4]. Таким образом, с голограммы, находившейся в воде с показателем преломления nw, запись которой осуществлялась на длине волны Ха, возможно восстановление безаберрационного изображения в воздухе (па) на длине волны Хс, являющейся эквивалентной эффективной длине волны света в воде Х , то есть:
В принципе, оптические искажения, присутствующие в восстановленных изображениях, могут быть полностью скомпенсированы путем подбора длины волны восстанавливающего излучения. В работе [4, 11] для записи голограмм использовался рубиновый лазер (красный свет, =694 нм), в этом случае эффективная длина волны =522 нм и возможно восстановление в зелёном свете. Однако запись на более коротких длинах волн может потребовать восстановления в свете, находящимся за пределами видимого диапазона. При записи на длине волны 0,53 мкм в воде потребуется восстановление лазерным излучением с длиной волны -0,40 мкм (например, He-Cd лазер, =0,44 мкм). Кроме того, в работе [4] отмечено, что в рассматриваемый пример абсолютно корректен лишь в том случае, когда исследуемые объекты и регистратор на этапе записи располагаются в воде. В действительности, в погружаемых голографических камерах фотопластины расположены в воздухе (газе) и на этапе регистрации лазерное излучение проходит путь «вода-стекло-воздух (газ)-регистратор», а на этапе восстановления вода и иллюминатор отсутствуют. Поскольку путь, который проходит предметный пучок в стекле и в воздухе (газе), не учитывается данным методом компенсации оптических искажений, то это значительно снижает эффект от его применения в случае внеосевой геометрии записи, когда изображение расположено вне оптической оси. Однако авторы [2 - 4, 11, 83] выяснили, что определенным образом подобранная толщина стекла выходного окна камеры по отношению к воздушной толще, через которую проходит предметный пучок на пути от иллюминатора к регистратору, благодаря взаимной компенсации сводит остающиеся искажения к минимуму. Например, сферическая аберрация полностью отсутствует в восстановленном изображении, если на этапе регистрации фотопластина располагалась в такой системе, где соотношение толщины стекла и воздуха (Zg и Za соответственно) определялось следующим соотношением:
Запись голограмм в зеленом свете (Х.=0,53 мкм) с последующим восстановлением в красном (Х,=0,63 мкм) и зеленом свете (XF0,54 мкм)
Для экспериментальных исследований особенностей внеосевой голографической схемы, в которой освещение исследуемых объектов, находящихся в воде, производится на просвет, был собран лабораторный стенд (Рисунок 30). В данном стенде реализована голографическая схема, геометрия, которая может быть использована в погружаемой голографической камере [17]. Источником излучения являлся импульсный ИАГ лазер с удвоением частоты, длина волны излучения составляла 0,53 мкм, длительность импульса 30 не, энергия импульса -30 мДж. Контроль выходной мощности импульсного лазера проводился калориметрическим твердотельным измерителем ИКТ-1Н. После удвоителя частоты 2, световой пучок расширяется коллиматором 3, до диаметра 50 мм. Поворотные зеркала 4 и 4а направляют излучение на светоделитель 5, который делит пучок на два: предметный и опорный.
Предметный пучок, попадая на поворотное зеркало 46, освещает (на просвет) кювету с водой 6, в которой находятся исследуемые объекты и, отражаясь от поворотного зеркала 4в, попадает на систему переноса изображения, состоящую из объективов 7 и 8 (f? = 234 мм; fg = 195 мм). Система переноса представляет собой телескопическую систему Кеплера и формирует изображение исследуемого объема в области перед фотопластиной 9. Её применение в разрабатываемом погружаемом аппарате служит для выполнения нескольких функций:
перенос изображения объема в область регистрации голограммы, что позволит максимально удалить исследуемый объем от корпуса погружаемой камеры; осуществляется одинаковое масштабирование различных сечений объема; при необходимости в общем фокусе объективов 7 и 8 (рисунки 30, 31) может быть размещена теневая маска для осуществления фильтрации пространственных частот. На рисунке 31 показан ход предметного светового пучка, проходящего через исследуемый объем и систему переноса изображения. Исследуемый объем кюветы 6 составлял 1000 см3. Длина пути предметного пучка от светоделителя 5 до фотопластины 9 составляет 2560 мм.
Опорный пучок после последовательного отражения от системы поворотных зеркал 4 - 4м, освещает фотопластину 9 под углом 30. Система зеркал 4 - 4" компенсирует разность хода между предметным и опорным пучками и направляет опорный пучок под заданным углом к фотопластине 9. В реальной погружаемой голографической камере за счет такой компоновки системы зеркал 4 - 4" высвобождается пространство для размещения механизма подачи и хранения фотопластин. Как видно из рисунка 32, длина хода опорного пучка составляет 2550 мм (на отрезках: А - 330 мм, В - 230 мм, C-19MMHD-15 ММ). Фотографии стенда представлены на рисунке 79 в Приложении 1.
В ряде случаев для повышения контраста голографических изображений применялся метод фильтрации пространственных частот [19], для чего в общий фокус объективов 7 и 8 (рисунки 30, 31) помещалась непрозрачная маска (диаметр которой составлял 0,2 мм (для случая, когда исследуемые объекты располагались в воздухе) и 0,08 мм (для случая, когда исследуемые объекты располагались в воде)). Для записи голограмм в зеленом свете использовались фотопластины «Славич ВРП», для записи в красном - ПФГ-01. Параметры используемых в экспериментах фотопластин приведены в таблице 5.
В качестве проявляющего раствора использовался «Проявитель для ВР-П», разбавленный водой в соотношении 1:3. Фиксаж - стандартный, кислый. Фотохимическая обработка фотопластин проводилась в 3 этапа: пластина помещалась в ванну с проявляющим раствором на 4 - 5 мин; ополаскивалась в чистой воде 6 - 10 сек; опускалась в ванну с фиксирующим раствором на 8 - 10 мин. После этого голограмма промывалась в проточной воде 20-30 мин и сушилась -12 часов. Для восстановления голограмм использовался лабораторный стенд, оптическая схема которого представлена на рисунке 33. Источником излучения являлся He-Ne лазер, работающий в режиме непрерывной генерации. Лазерный пучок расширялся коллиматором до диаметра 50 мм и, после отражения от поворотных зеркал, освещал на голограмму под требуемым углом, который контролировался в эксперименте визуально, аналогично тому, как это делали авторы работы [3] (см. п. 1.4). Система ввода действительных голографических изображений состояла из цифровой ТВ камеры Panasonic NV-DS15, графического адаптера Asus 3400TNT с интерфейсом S-Video и проинсталлированного программного обеспечения, предназначенного для захвата и сохранения действительных голографических изображений в цифровом формате ( .TIFF, .ВМР) в памяти ЭВМ. Для данной ТВ камеры была разработана и изготовлена насадка, позволяющая устанавливать различные микрообъективы (3 х, 8х и т.д.). На этапе восстановления ТВ камера устанавливалась на двухкоординатный столик с цифровым отсчетом, перемещения которого осуществлялись с точностью до 1 мкм. Это позволяло фокусироваться на любом интересующем фрагменте исследуемого объема. Для этого режим автоматической фокусировки ТВ камеры был деактивирован.
Регистрация осевых цифровых голограмм объектов, находящихся в жидкости
Метод основан на принципах геометрической оптики. Общий вид задачи представлен на рисунке 44. На этапе топографической регистрации плоская волна освещает выпуклую прозрачную частицу произвольной формы. Предполагается, что частица однородная, так что каждой точке поверхности частицы соответствует единственный луч. Кроме этого, считаем, что форма частицы заранее определена из многоракурсного (по крайней мере двухракурсного) голографического изображения. Т.о., исходными данными являются: форма частицы и показатель преломления среды Пі (Рисунок 44).
На первом этапе необходимо определить угол преломления луча Q4 на выходе из частицы, зная ее форму. Для этого рассмотрим часть излучения, преломленную частицей. С целью детального исследования частицы и определения ее геометрических параметров, в области за ее голографическим изображением обычно устанавливают увеличивающую оптическую систему. В данном методе предполагается, что известны основные параметры системы (например, лупы) - фокусное расстояние f, расположение главных плоскостей SH, SV и, если необходимо, значения вносимых аберраций. Для простоты рассмотрения ограничимся установкой тонкой линзы (т.е. главные плоскости совмещены). Зададим систему координат XYZ таким образом, что лучевой вектор S ОХ и ось ОХ совпадала с оптической осью линзы. За фокальной плоскостью линзы формируется увеличенное изображение исследуемой частицы, настроив на которое измерительный прибор (например, ПЗС-матрицу), выберем произвольным образом точку В (хВ , ув-, zB-). Передвинем измерительный прибор таким образом, что бы изображение немного расфокусировалось, но фрагмент с точкой В все еще можно идентифицировать. В плоскости наблюдения получим немного расфокусированное изображение фрагмента с точкой В"(хВ", ув», zB-). соответствующей точке В в предыдущей плоскости. Эти две точки оптическая система может сформировать единственным образом. Соединив их прямой В В", отметим точку D(xD, УБ, zD) как точку пересечения В В" с фокальной плоскостью f и точку С(хс, ус, Zc) как точку пересечения B D с главной плоскостью линзы. Принимая во внимание фокусирующие свойства линзы, через главную точку проведем вспомогательный луч DE, параллельно которому из точки С проведем прямую до пересечения с границей исследуемого объекта. Таким образом, ломаная ВСВ является траекторией луча ВС, вышедшего из исследуемого объекта и преломленного лупой. Зная форму сечения частицы, определяем нормаль п и угол Q4, под которым луч ВС выходит из частицы.
На втором этапе, зная угол Q4 и пь с заданным шагом перебираем различные значения показателя преломления п2. На каждом шаге восстанавливаем траекторию луча в обратном ходе через частицу. Для этого последовательно рассчитываем угол Q3, (используя закон Снеллиуса), затем координаты точки А (геометрическое построение). Зная форму частицы, рассчитываем угол СЬ , а затем, вновь используя в закон Снеллиуса, определяем направление волнового вектора S излучения, освещающего частицу. Когда направление вектора S с заданной точностью будет параллельно оси ОХ, перебор прекращается и значение п2, при котором это условие выполняется, считается искомым показателем преломления исследуемого объекта.
Для повышения точности определения п2, предложенный алгоритм можно повторить несколько раз, выбирая в голографическом изображении исследуемой частицы различные положения исходной точки В.
Как на этапе записи, так и на этапе восстановления источником излучения являлся He-Ne лазер, работающий в режиме непрерывной генерации. Пучок He-Ne лазера расширялся с помощью коллиматора до диаметра 50 мм.
Восстановление голографического изображения объекта осуществлялось с помощью оптической схемы, приведенной на рисунке 46. За голографическим изображением исследуемого объекта устанавливалась тонкая линза (f=280 мм) на расстоянии 345 мм от центрального сечения сферы. В плоскости А, где построенное линзой изображение исследуемого объекта сфокусировано, замерялись координаты выбранной точки В , в плоскости Б, где изображение исследуемого объекта слегка расфокусированно - координаты соответствующей ей точки В ". Координаты точек, принадлежащих данным плоскостям, определяемые в эксперименте путем прямых измерений, представлены в таблице 7. Все элементы схемы были «привязаны» к одной системе координат, в которой в последующем проводились необходимые измерения и расчеты. Входными параметрами являлись:
