Формирование и анализ параметров когерентных световых полей методами цифровой голографии для бесконтактного контроля объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Гендин, Владислав Геннадьевич

• Гендин, Владислав Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гендин, Владислав Геннадьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1.1. Схемы регистрации голограмм для объектов различного геометрического масштаба

1.2. Методы реконструкции изображений в цифровой голографии

1.2.1 Метод свертки

1.2.2 Метод Френеля

1.3. Методы многоволновой цифровой голографии

1.4. Цифровая запись дополнительных данных в цифровой голографии26

Выводы по Главе 1

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТОЧНОСТИ И ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК МЕТОДОВ И ОТДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ ПРИБОРОВ ЦИФРОВОЙ ГОЛОГРАФИИ

2.1. Расчет параметров оптических схем для регистрации голограмм объектов различного геометрического масштаба

2.2 Реконструкция изображений в цифровой голографии

2.3. Метод двухволновой записи и реконструкции изображений из голограмм

2.4. Запись калибровочных данных для восстановления изображений из голограмм на двух длинах волн

2.5. Цифровая голографическая запись дополнительных данных

2.6. Расчет параметров оптико-электронной системы записи дополнительных данных

Выводы по Главе 2

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РЕАЛИЗАЦИИ МЕТОДОВ ЦИФРОВОЙ ГОЛОГРАФИИ ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО

КОНТРОЛЯ ОБЪЕКТОВ РАЗЛИЧНОГО ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО МАСШТАБА

3.1. Результаты записи и реконструкции изображений из голограмм

тест-объектов с различным увеличением

3.2. Результаты цифровой фокусировки при восстановлении изображений в цифровой голографии

3.3. Запись и восстановление изображений из голограмм на двух длинах волн

3.4. Реализация метода записи дополнительных данных

3.5. Результаты реконструкции встроенных данных с помощью оптико-электронного устройства

3.6. Исследование влияния фокусировки на голограмме и соотношения интенсивности пучков на качество восстановления дополнительных данных75

Выводы по Главе 3

ГЛАВА 4. МЕТОДЫ И СИСТЕМЫ ЦИФРОВОЙ ГОЛОГРАФИИ ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО КОНТРОЛЯ ОБЪЕКТОВ

4.1. Цифровая голографическая система для исследования объектов различного происхождения

4.2. Запись дополнительных данных методами цифровой голографии

Выводы по Главе 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ А. ОПИСАНИЕ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ВОССТАНВОЛЕНИЯ

ИЗОБРАЖЕНИЙ В ЦИФРОВОЙ ГОЛОГРАФИИ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование и анализ параметров когерентных световых полей методами цифровой голографии для бесконтактного контроля объектов»

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.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Гендин, Владислав Геннадьевич

Выводы по Главе 4:

1. Представленные результаты реализации голографической системы для исследования объектов различного геометрического масштаба показывают целесообразность применения предложенной методики исследования объектов на двух длинах волн. Исследование результатов, полученных на созданных голографических системах, показывают воспроизводимость результатов не хуже 98%.

2. Использование двух длин волн позволяет получать изображения всех деталей объекта, имеющих различное пропускание на разных длинах волн, а однокадровая запись одновременно на двух длинах волн позволяет избежать негативного влияния вибраций в схеме.

3. Представленные в Главе методы записи дополнительных данных показали устойчивость восстановления как при записи дополнительных данных в цветные изображения, так и в изображения в оттенках серого.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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.

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.

На основе полученных результатов можно сделать следующие выводы:

1. Предложенный метод получения голограмм на двух длинах волн, совместно с применением методов автофокусировки и устранением нулевого порядка дифракции позволяет повысить полноту отображения деталей объекта. Использование только одной голограммы, записываемой сразу на двух длинах волн, позволяет избежать негативного влияния вибраций, а также применять метод для движущихся объектов.

1. Запись дополнительной калибровочной информации как в изображения в оттенках серого, так и цветные изображения позволяет расширить функциональные возможности метода ЦТ при восстановлении изображений и обеспечить точное совмещение изображений, полученных на разных длинах волн после их восстановления из голограмм.

2. Представленные в работе методы записи дополнительных данных показали свою эффективность и устойчивость восстановления из изображений, подвергнутых различным внешним воздействиям.

3. Проведенные исследования влияния фокусировки на голограмме и соотношения интенсивности опорной волны и волны, прошедшей через голограмму, на качество восстановления дополнительных данных показали, что качество восстановления сильно зависит от точности фокусировки на голограмме и от соотношения интенсивностей пучков.

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 голографических водяных знаков в ХРЕО-изображениях // 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 голографической 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 голографических 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 International 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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гендин, Владислав Геннадьевич, 2013 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Zhang Y., Lu Q., Ge B., Zhao H., Sun Y. Digital holography and its applications // Proc. of SPIE, 2005. V. 5636. P. 200-211.

2. Gabor D. Holography 1948-1971 // Proc. of the IEEE, 1972. V. 60. Issue 6. P. 655- 668.

3. Swoger J., Corral M., Huisken J., Stelzer H.K. Optical scanning holography as a technique for high-resolution three-dimensional biological microscopy // J. Opt. Soc. Am. A, 2002. V. 19. P. 1910-1918.

4. Cheng G., Jiang Z., Wang D., Ding M, Cui H. Off-axis Reflection Digital Holographic Microscopy For Micron Structure Tomography Measurement // Proc. of SPIE, 2010. V. 7848. P. 78482E.

5. Dubois F., Debeir O., Kiss R. Digital holographic microscopy for the three-dimensional dynamic analysis of in vitro cancer cell migration // J. of Biomed. Opt., 2006. V. 11(5). P. 054032.

6. Zhou W., Yu Y., Duan Y., Asundi A. Phase reconstruction of live Human Embryonic Kidney 293 cells based on two off-axis holograms // Proc. of SPIE, 2009. V. 7375. P 737502.

7. Ferraro P., Grilli S., Miccio L., Alfieri D., De Nicola S., Finizio A., Javidi B. Full Color 3-D Imaging by Digital Holography and Removal of Chromatic Aberrations // Journal of Display Technology, 2008. V. 4. Issue 1. P. 97-100.

8. Paturzo V., Merola F., Grilli S., De Nicola S., Ferraro P. Digital holography in combination with diffraction grating to get super-resolution // Proc. of SPIE, 2008. V. 6995. P. 699505.

9. Kreis T., Schlüter K. Resolution enhancement by aperture synthesis in digital holography // Optical Engineering, 2007. V. 46(5). P. 055803.

10. Kelly D., Hennelly B., Pandey N, Naughton T., Rhodes W. Resolution limits in practical digital holographic systems // Optical Engineering, 2009. V. 48. №9. P. 095801.

11. Wang X., Gong W., Liu F., Wang H. High-resolution Holographic Imaging Technology by Microscopic Image Plane Holography // Proc. of SPIE, 2010. V. 7848. P. 78482X.

12. Hillman T.R., Gutzler Т., Alexandrov A.S., David D.D. Highresolution, wide-field object reconstruction with synthetic aperture Fourier holographic optical microscopy // Opt. Express, 2009. V. 17. P. 7873-7892.

13. Гудман Дж. Статистическая оптика. - М.: Мир, 1988. 528 с.

14. Kim М.К. Principles and techniques of digital holographic microscopy // SPIE Rev, 2010. V. 1. P. 018005-1-50.

15. Nelleri A., Joseph J. Singh K. Lensless complex data encoding for digital holographic whole information security // Opt. Eng., 2008. V. 47. P. 115801.

16. Goodman J.W., Lawrence R.W. Digital image formation from electronically detected holograms // Appl. Phys. Lett., 1967. V.l 1. P. 77-79.

17. Ярославский Л.П., Мерзляков H.C. Цифровая голография. - М.: Наука, 1982.219 с.

18. Kronrod R.W., Merzlyakov N.S., Yaroslavskii L.P. Reconstruction of a hologram with a computer // Sov. J. Tech. Phys, 1972. V. 17. P. 333-334.

19. Ярославский Л.П. Цифровая обработка сигналов в оптике и голографии: Введение в цифровую оптику. - М.: Радио и связь, 1987. 296 с.

20. Alfieri D., Coppola G., De Nicola S., Ferraro P., Finizio A., Pierattini G., Javidi B. Method for superposing reconstructed images from digital holograms of the same object recorded at different distance and wavelength // Optics Communications, 2006. V. 260. P. 113-116.

21. Yamaguchi I., Matsumura Т., Kat J. Phase-shifting color digital holography // Opt. Lett., 2002. V. 27. Issue 13. P. 1108-1110.

22. Kato J., Yamaguchi I., Matsumura T. Multicolor digital holography with an achromatic phase shifter // Opt. Lett., 2002. V. 27. Issue 16. P. 1403-1405.

23. Балтийский С.А., Гуров И.П., Де Никола С., Коппола Д., Ферраро П. Современные методы цифровой голографии /В кн.: Проблемы

когерентной и нелинейной оптики / Под ред. И.П. Гурова и С.А. Козлова, СПб: СПбГУ ИТМО, 2004. 91-117 с.

24. Schnars U., Jueptner W. Digital Holography. Digital Hologram Recording, Numerical Reconstruction, and Related Techniques. - BerlinHeidelberg: Springer-Verlag, 2005.

25. Ozcan M., Bayraktar M. Holographic recording without a separate reference wave // Proc. of SPIE, 2010. V. 7619. P. 76190K.

26. A. Hadiastuti A.B., SuksmonoT.L. PC-Based Digital Holographic Microscope Off-Axis Configuration with Michelson Interferometer // Proc. of conf. ICEEI, 2011. P. 1-6.

27. Etienne C., Pierre M., Christian D. Simultaneous amplitude-contrast and quantitative phase-contrast microscopy by numerical reconstruction of Fresnel off-axis holograms // Appl. Opt., 1999. V.38. P. 6994-7001.

28. Sheoran G., Dubey S., Anand A., Mehta D.S., Shakher C. Swept-source digital holography to reconstruct tomographic images // Opt. Let., 2009. V. 34. № 12. P. 1879-1881.

29. Chen Z., Liu F., Gong W., Wang H. Microscopy based on digital lensless Fourier transforms holography // Proc. of SPIE, 2010. V. 7848. P. 784834.

30. Кольер P., Беркхарт К., Лин JI. Оптическая голография. - М.: Мир, 1973. 686 с.

31. Колфилда Г. Оптическая голография. В 2-х т. - М.: Мир, 1982.

32. Jie Z., Dayong W., Yunxin W., Changgeng L., Yan L., Huakun C., Yuhong C. Autofocusing on pure phase object for living cell imaging in lensless Fourier transform digital holography // Proc. of SPIE, 2010. V. 7790. P. 779017.

33. Cuche E., MarquetP., Depeursinge C. Spatial filtering for zero-order and twin-image elimination in digitaloff-axis holography // Appl. Opt., 2000 V. 39. P. 4070-4075.

34. Нагибина И.М., Москалев B.A., Полушкина H.A., Рудин В.Л. Прикладная физическая оптика. -М.: Высшая школа, 2002. 565 с.

35. Сивухин Д.В. Общий курс физики. - М.: Физматлит, 2005. 792 с.

102

36. Seelamantula C.S., Pavilion N., Depeursinge C., Unser M. Exact complex-wave reconstruction in digital holography // J. Opt. Soc. Am. A, 2011. V. 28. P. 983-992.

37. Yu L., An Y., Cai L. Numerical reconstruction of digital holograms with variable viewing angles // Opt. Express, 2002. V. 10. P. 1250-1257.

38. Schnars U., Juptner W. Digital recording and numerical reconstruction of holograms // Meas. Sci. Technol, 2002. V. 13. P. R85-R101.

39. Schnars U., Juptner W. Digital holography-digital hologram recording, numerical reconstruction and related techniques. - New York: Springer, 2005.

40. Schnars U. Juptner W. Direct recording of holograms by a CCD target and numerical reconstruction // Appl. Opt., 1994. V. 33. P. 179-181.

41. Ozcan M., Bayraktar M. Digital holography image reconstruction methods // Proc. of SPIE, 2009. V. 7233. P. 72330B.

42. Liu C., LiY., Cheng X., Liu Z., Bo F., Zhu J. Elimination of zero-order diffraction in digitalholography // Opt. Eng., 2002. V. 41. P. 2434-2437.

43. Kreis T., Juptner W. Suppression of the DC term in digital holography // Opt. Eng., 1997. V. 36. P. 2357-2360.

44. Zhao J. Autofocusing on phase image for pure phase object in digital holography//Proc. of «SOPO-2012», 2012. P. 1-5.

45. Kim M. K., Yu L., Mann C.J. Interference techniques in digital holography // J. Opt. A-Pure Appl. Opt., 2006. V. 8(7). P. S518-S523.

46. Liebling M., Unser M. Autofocus for digital Fresnel holograms by use of a Fresnelet-sparsity criterion // JOSA A, 2004. V. 21. Issue 12. P. 2424-2430.

47. Kreis T., Juptner W. Principles of Digital Holography. In: Fringe 97, W. Juptner, and W. Osten, eds. Academic Verlag, 1997. P. 253-363.

48. Onural L. Sampling of the diffraction field //Appl. Opt., 2000. V. 39. P. 5929-5935.

49. Dubois F., Joannes L., Dupont O., Dewande J.L., Legros J.C. An integrated optical set-up for fluid-physics experiments under microgravity conditions // Meas. Sci. Technol., 1999. V. 10. P. 934-945.

50. Owen R.B., Zozulya A.A. In line digital holographic sensor for monitoring and characterizing marine particulates // Opt. Eng., 2000. V. 39. P. 2187-2197.

51. Калитеевский Н.И. Волновая оптика. - M. : Высшая школа, 1995.

463 с.

52. Какие Т., Tahara Т., Ito К., Shimozato Y., Awatsuji Y., Nishio К., Ura S., Kubota Т., Matoba O. Parallel phase-shifting color digital holography using two phase shifts // Appl. Opt., 2009. V. 43. P. H245-H250.

53. Schedin S, Pedrini G., Tiziani J.H., Santoyo F.M. Simultaneous three-dimensional dynamic deformation measurements with pulsed digital holography // Applied Optics, 1999. V. 38. Issue 34. P. 7056-7062.

54. Lu Q., Ge В., Chen Y., Zou J. Microstructure Testing with Digital Holography // Proc. of SPIE, 2009. V. 7511. P. 751105.

55. Schedin S., Pedrini G., Tiziani H.J. Pulsed Digital Holography for Deformation Measurements on Biological Tissues // Applied Optics, 2000. V. 39. Issue 16. P. 2853-2857.

56. Toge H., Fujiwara H., Sato K. One-shot digital holography for recording color 3-D images // Proc. of SPIE, 2008. V. 6912. P. 69120U.

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

58. Гендин В.Г. Формирование и идентификация скрытых голографических водяных знаков в JPEG-изображениях // Труды конференции ГрафиКон-2010. СПб: СПбГУ ИТМО, 2010. С. 344-345.

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

60. Гендин В.Г. Исследование помехоустойчивости метода внедрения скрытых голографических 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.

61. Wang Н., Qin A., Huang М. Autofocus method for digital holographic reconstruction of microscopic object // Proc. of «SOPO-2009», 2009. P. 5230170.

62. Гонсалес P., Вудс P. Цифровая обработка изображений. - M.: Техносфера, 2005. 1072 с.

63. Кулагин С.В. Проектирование фото- и киноприборов. - М.: Машиностроение, 1976. 304 с.

64. Ландсберг Г.С. Оптика. - М.: Физматлит, 2003. 848 с.

65. Санталина И.Ю. Преобразование структуры лазерного пучка лучей // Труды IX-ой Международной конференции «Прикладная оптика - 2010», 2010. С. 167-71.

66. Tachiki M.L., Itoh М., Yatagai Т. Simultaneous depth determination of multiple objects by focus analysis in digital holography // Applied Optics, 2008. V. 47. Issue 19. P. D144-D153.

67. Memmolo P., Distante C., Paturzo M., Finizio A., Ferraro P., Javidi B. Automatic focusing in digital holography and its application to stretched holograms // Opt. Lett., V. 36. Issue 10. P. 1945-1947.

68. Langehanenberg P., Kemper В., von Bally G. Autofocus algorithms for digital-holographic microscopy // Proc. of SPIE-OSA Biom. Opt., 2007. V. 6633. P. 6633-13.

69. Kim Т., Poon T.C. Autofocusing in optical scanning holography // Applied Optics, 2009. V. 48. Issue 34. P. H153-H159.

Приложение А. ОПИСАНИЕ ПРОГРАММЫ ДЛЯ ВОССТАНВОЛЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ЦИФРОВОЙ ГОЛОГРАФИИ

Применительно к анализу данных в системах ЦГ на основе исследованных в работе методов реконструкции была разработана программа, поддерживающая операции синтеза голограмм для формирования дополнительных данных и реконструкции изображений из голограмм реальных объектов, а также удобное представление и визуализацию полученных данных.

Программа состоит из двух блоков осуществляющих операции синтеза голограмм и реконструкции изображений из них.

Синтез голограмм реализован с целью возможно моделирования голограмм реально несуществующих объектов для их трехмерной визуализации. Опираясь на проведенные исследования, в которых были проанализированы особенности регистрации различных типов голограмм, был реализован программный модуль, реализующий синтез внеосевых голограмм Френеля.

На рисунке а представлен вид главного окна программы. Для синтеза голограммы объекта необходимо загрузить изображение в оттенках серого в формате BMP. Для загрузки изображения используется кнопка Open.

Для синтеза голограммы используется кнопка Synthes, в результате нажатия которой открывается диалоговое окно вид которого представлен на рисунке б.

В этом окне необходимо ввести все параметры синтезируемой голограммы: длина волны излучения (нм), размер пикселя матрицы видеокамеры (нм), размеры плоскости регистрации (ширина и высота голограммы) в пикселях. Также опционально можно ввести СКО нормального шума в градациях яркости, наложенного на изображение и смещение объекта относительно его исходной позиции.

Возможность накладывать на исходное голографируемое изображение шум реализована для выполнения двух задач. Во-первых, в реальных системах всегда присутствует шум, а возможность накладывать шум позволяет моделировать голограммы, которые могли бы быть записаны в реальных условиях на матрицу видеокамеры. Во-вторых, нормальный шум с небольшим СКО позволяет сделать голограмму более равномерной, что делает более явным такое свойство голограмм как возможность реконструкции изображения даже из малой части голограммы.

В качестве алгоритма реконструкции в предыдущих главах был выбран метод Френеля, который и был реализован в данной программе. В качестве исходной голограммы может выступать как голограмма Френеля, так и голограмм Фраунгофера. Для реконструкции изображения необходимо сначала загрузить голограмму в формате BMP с помощью кнопки Open (рисунок а). Далее требуется нажать кнопку Reconstruct, в результате нажатия которой открывается диалоговое окно, вид которого представлен на рисунке в.

В этом окне необходимо ввести все параметры для восстановления изображения из голограммы: длина волны излучения и размер пикселя матрицы видеокамеры, на которую была записана голограмма. Также можно ввести дополнительные опции процесса реконструкции голограммы. Установка флажка «Окружать нулями» позволяет получить восстановленное изображение без эффекта перекрытия, который часто возникает при реконструкции внеосевых голограмм. Установка флажка «Фильтровать нулевой порядок дифракции» позволяет получить восстановленное изображение, не содержащее нулевого порядка дифракции.

По умолчанию восстанавливается амплитуда голограммы, для восстановления фазы необходимо поставить в диалоговом окне, представленном на рисунке А.З, флажок «Фаза».

Результирующие изображения синтеза голограмм, так и восстановления изображений из них выводятся в главном окне. Для сохранения изображений на жесткий диск компьютера создана кнопка Save.

а)

Synthesis Длта волны (ни) = 532

Размер пикселя матрицы (мкм) = 6

Ширина голограммы = 128

Высота голограммы = 128 Шум 0 dx (нм) о

Синтезировать

Отмена

О Окружать нулями

|У1 Фильтровать нулевой порядок дифракции □ Фаза

Восстановить j Отмена

б) В)

Рисунок - Графический интерфейс программы: общий вид (а) и диалоговые окна выбора параметров синтеза голограммы (б) и восстановления изображения из голограммы (в)

Приложение Б. АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

утв ™сдл:с иу итмо

профессор В.Н. Васильев * -^2013 г.

АКТ

об использовании результатов диссертационной работы Гендина Владислава Геннадьевича по теме "Формирование и анализ параметров когерентных световых полей методами цифровой голографии для бесконтактного контроля объектов"

Настоящий акт составлен в том, что при проведении в 2011-2013 гг. научно-исследовательской работы "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. в рамках федеральной целевой программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы" использованы разработанные В.Г. Гендиным компьютерные программы для восстановления амплитудной и фазовой информации о микрообъекте из голограмм, а также схемы регистрации цифровых голограмм микрообъектов и результаты исследования биологических образцов методами цифровой голографии.

Разработанные компьютерные программы и схемы регистрации обеспечили возможность быстрого получения амплитудной и фазовой информации об исследуемых объектах, а также возможность их визуализации.

Начальник НИЧ

/

/

УТВЕРЖДАЮ

АКТ

об использовании результатов диссертационной работы Гендина Владислава Геннадьевича по теме "Формирование и анализ параметров когерентных световых полей методами цифровой голографии для бесконтактного контроля объектов"

Настоящий акт составлен в том, что при проведении в 2011-2012 гг. научно-исследовательской работы "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" использованы разработанные В.Г. Гендиным компьютерные программы для синтеза голограмм и восстановления трехмерной информации об объекте из голограмм, а также схемы регистрации цифровых голограмм и результаты исследования ряда образцов методами цифровой голографии.

Разработанные компьютерные программы и схемы регистрации обеспечили возможность получения информации о трехмерной форме исследуемых объектов методами цифровой голографии.

Начальник НИЧ