Оптико-электронная система формирования изображений удаленных объектов, основанная на преобразовании пространственной когерентности и интегральной регистрации нестационарных волновых фронтов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, кандидат физико-математических наук Солякин, Иван Владимирович

• Солякин, Иван Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Солякин, Иван Владимирович

Введение.1

Глава I Преобразование пространственной когерентности и регистрация нестационарных волновых фронтов .3

1.1. Обратные задачи в оптике.3

1.2. Широкоапертурная регистрация волновых фронтов.4

1.3. Применение методов некогерентной голографии для построения изображений.11

1.4. Методы получения информации при передаче изображений через рассеивающие среды.15

1.5. Задачи исследования.17

Глава II Метод формирования изображений на основе преобразования когерентности и широкоапертурной регистрации нестационарных волновых фронтов.21

2.1. Построение изображений с использованием преобразования пространственной когерентности света.21

2.2. Оптико-элекгронный метод формирования изображений удаленных объектов на основе широкоапертурной регистрации волновых фронтов.24

2.3. Поляризационный интерферометр на основе анизотропных кристаллов.28

2.4. Моделирование поляризационного интерферометра.36

2.5. Сравнительный анализ свойств интерферометра поворота волнового фронта и поляризационного интерферометра.38

2.6. Методы введения независимой временной модуляции информационной части светового поля.43

2.7. Дополнительные методы улучшения изображений в оптико-элекгронной системе.48

Глава III Влияние тонких пропускающих случайных экранов на построение изображений в оптико-электронной системе с широкоапертурной регистрацией.61

3.1. Описание влияния тонких случайных экранов на формирование изображений в телескопических системах и оптико-электронной системе.61

3.2. Моделирование влияния тонких случайных экранов.69

Глава IV Экспериментальная реализация оптико-электронной системы формирования изображений.81

4.1. Исследование оптико-электронной системы формирования изображений на основе интерферометра поворота волнового фронта.81

4.2. Метод временной модуляции, основанный на поляризационных эффектах при полном внутреннем отражении и его экспериментальная проверка.87

4.3. Экспериментальное исследование поляризационного интерферометра и оптико-электронной системы на его основе.92

4.4. Экспериментальное исследование методов временной модуляции в системе с поляризационным интерферометром.96

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптико-электронная система формирования изображений удаленных объектов, основанная на преобразовании пространственной когерентности и интегральной регистрации нестационарных волновых фронтов»

Оптика обладает большими возможностями для построения цифровых и аналоговых систем обработки информации. По сравнению с электроникой оптика обладает потенциальными преимуществами для создания вычислительных устройств:

• меньшее количество энергии на один вычислительный такт;

• значительно меньший теоретический предел тактовых частот вычислителя;

• естественность реализации параллелизма вычислений и обеспечение высокой связности в вычислительных системах.

Однако, в последнее время из-за стремительного развития цифровых электронных вычислительных средств актуальность создания чисто оптических вычислительных машин сильно уменьшилась. Поэтому, особый интерес сегодня представляют оптические системы, в которых сочетались бы свойства датчиков, оптический блок предобработки и которые легко сочленялись бы с электронными блоками обработки информации. Представляется разумным использовать опыт работы с аналоговыми оптическими вычислительными системами для создания оптических или оптико-электронных систем, обладающих указанными выше свойствами.

Применение оптических систем, использующих когерентное освещение, ограничено из-за необходимости использования высококачественной элементной базы, включая пространственно-временные модуляторы света. В таких системах необходимо обеспечивать высокую точность юстировки и низкий уровень фазовых шумов. Оптические системы обработки информации, использующие частично когерентное освещение, в значительной мере избавлены от этих недостатков. Они защищены от фазовых шумов устройств ввода, предъявляют меньшие требования к точности юстировки оптических элементов и свойствам используемых источников излучения.

В особый класс среди систем с частично когерентным освещением можно выделить системы обработки информации, использующие в качестве информационного параметра степень пространственной когерентности. В таких системах преобразования производятся над пространственной когерентностью, а результирующее распределение степени пространственной когерентности отображается в виде распределения интенсивности с помощью визуализатора пространственной когерентности. Такие 1 системы сочетают в себе достоинства систем, использующих пространственно-когерентное излучение, и надежность систем с пространственно-некогерентным излучением. Однако существенным недостатком систем этого класса является низкое отношение сигнал/фон, что обусловлено наличием постоянного светового фона. Более того в таких системах отношение сигнал/фон падает обратно пропорционально числу элементов объекта. Таким образом, создание систем, использующих преобразование пространственной когерентности, невозможно без разработки эффективных методов увеличения отношения сигнал/фон.

Заключение диссертации по теме «Лазерная физика», Солякин, Иван Владимирович

Заключение и выводы

Основные полученные результаты и выводы настоящей диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Разработан безлинзовый оптико-электронный метод формирования изображений удаленных объектов на основе преобразования пространственной когерентности и интегральной регистрации нестационарных волновых фронтов. Определены параметры оптико-электронной системы формирования изображения на основе разработанного метода, такие как пространственное разрешение и отношение сигнал/фон. Установлено, что отношение сигнал/фон пропорционально 1/7У , где N -число разрешимых элементов объекта. Рассмотрены различные схемотехнические реализации системы: на основе интерферометра поворота волнового фронта и поляризационного интерферометра на анизотропных кристаллах. Теоретически показана возможность использования полихроматического света для построения изображений в оптико-электронной системе с поляризационным интерферометром.

2. Разработаны различные методы независимой временной модуляции информационной части светового поля в интерференционных системах, использующих частично-когерентный свет. Независимая временная модуляция позволяет при интегральной регистрации интенсивности производить эффективную частотную временную фильтрацию сигнала, а при локальной регистрации - проводить вычитание, и, таким образом, отделять информационную составляющую от фоновой. Независимая временная модуляция информационной части светового поля в предлагаемом методе формирования изображений позволяет в теоретическом пределе избавиться от фоновой составляющей. Использование модулятора на сегнетоэлектрических жидких кристаллах позволяет достичь частоты модуляции порядка 10 кГц при контрастности 100:1, обеспечить эффективную временную фильтрацию информационной части сигнала и реализовать знакопеременную аппаратную функцию оптико-электронной системы формирования изображений.

3. Проведено моделирование элементов безлинзовой системы формирования изображений, в частности поляризационного интерферометра на анизотропных кристаллах. Результаты моделирования показали, что использование поляризационного интерферометра в качестве визуализатора степени пространственной когерентности позволяет улучшить следующие характеристики системы по сравнению со случаем использования интерферометра поворота волнового фронта:

• энергетическая эффективность (приблизительно в 8 раз выше),

• виброустойчивость (в 10 раз больше).

Снижение разрешающей способности при использовании поляризационного интерферометра компенсируется большим, по сравнению с интерферометром поворота волнового фронта, размером входного окна широкоапертурного фотоприемника, в которой интерференционная картина формируется без искажений. Также при использовании поляризационного интерферометра можно реализовать временную модуляцию информационной части светового поля без усложнения его схемы.

4. Проведено исследование влияния тонких случайных рассеивающих экранов на формирование изображений в оптико-электронной безлинзовой системе. Произведено сравнение влияния случайных рассеивающих экранов на формирование изображений в оптико-электронной и телескопической системах. Определены параметры рассеивающих экранов, при которых оптико-электронная система формирует изображения с меньшими искажениями, чем телескопическая система. Показано, что введение интегрирования по реализациям рассеивающих экранов в оптико-электонной системе позволяет строить изображения в присутствии рассеивающих экранов с более широким диапазоном параметров. Также проведено моделирование влияния тонких случайных рассеивающих экранов на формирование изображений в оптико-электронной безлинзовой и телескопической системах в случае, когда формирующая система находится в зоне геометрической тени экрана.

5. Экспериментально апробирован безлинзовый оптико-электронный метод формирования изображений на основе преобразования пространственной когерентности и интегральной регистрации нестационарных волновых фронтов. Проведено исследование различных схемотехнических решений оптико-электронной системы. Экспериментально подтверждена возможность формирования изображений малоразмерных объектов в монохроматичном свете. В ходе исследований определены такие параметры системы, как пространственное разрешение и отношение сигнал/фон. Экспериментальное разрешение системы с интерферометром поворота волнового фронта в пределах погрешности совпадает с дифракционным пределом разрешения и составляет (1,2±0,2)-10'4 рад, а экспериментальное разрешение системы с поляризационным интерферометром в пределах погрешности совпадает с предельным разрешением и равно (8,3±0,9)10"4 рад.

6. Проведено экспериментальное исследование элементов безлинзовой системы формирования изображений, в частности поляризационного интерферометра на анизотропных кристаллах и модулятора на сегнетоэлектрических жидких кристаллах. Для поляризационного интерферометра получена экспериментальная зависимость частоты интерференционных полос от угла падения на интерферометр плоской волны и определено разрешение интерферометра. Для жидкокристаллического модулятора получена зависимость предельной частоты модуляции от модулирующего напряжения. При напряжении 10 В предельная частота модуляции составила 13,5 кГц. Результаты экспериментальных исследований показали, что использование поляризационного интерферометра в качестве визуализатора степени пространственной когерентности позволило улучшить характеристики системы по сравнению со случаем использования интерферометра поворота волнового фронта.

7. Экспериментально апробированы два метода независимой временной модуляции информационной части светового поля:

• метод, основанный на поляризационных эффектах при полном внутреннем отражении в интерферометре поворота волнового фронта;

• поляризационный метод в системе на основе поляризационного интерферометра. Независимая временная модуляция информационной части светового поля в системе с интерферометром поворота волнового фронта была осуществлена с помощью механического модулятора. В результате удалось увеличить отношение сигнал/фон в 30 раз, что позволяет формировать изображения с количеством разрешимых элементов порядка 30.

Независимая временная модуляция информационной части светового поля в системе с поляризационным интерферометром была реализовано с помощью жидкокристаллического модулятора. Использование модулятора на сегнетоэлектрических жидких кристаллах позволило достичь частоты модуляции порядка 10 кГц при контрастности 100:1, обеспечить эффективную временную фильтрацию информационной части сигнала и реализовать знакопеременную аппаратную функцию оптико-элекгронной системы формирования изображений. В результате в системе с поляризационным интерферометром отношение сигнал/фон было увеличено в 100 раз, что позволяет формировать изображения с количеством разрешимых элементов порядка 100.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Солякин, Иван Владимирович, 2004 год

1. Yu. A. Bykovsky, A. A. Markilov, M. F. Smazheliuk, S. N. Starikov. Optical computing by double transformation of spatial coherence of light. Proc. SP1., 1988, v. 963, pp. 354-360.

2. А.Н.Тихонов, В.Я. Арсенин. «Методы решения некорректных задач». М.: Наука, 1974.

3. В. Н. Боркова, В. А. Зубов, А. В. Крайский. Голографическая спектроскопия с использованием нестационарной опорной волны. Квантовая электроника, 7, № 10, стр. 2192, (1980).

4. В. Н. Боркова, В. А. Зубов. Запись модулированного оптического сигнала. Квантовая электроника, 7, № 4, стр. 890, (1980).

5. В. А. Зубов. Корреляционная обработка пространственных сигналов с использованием фотоэлектрической регистрации. Материалы XI Всесоюзной школы по голографии (физические основы голографии), стр. 75-89. Ленинград, изд. ЛИЯФ, 1979.

6. В. А. Зубов, А. В. Крайский, Т. Т. Султанов. Интерференционный коррелятор со схемой модифицированного двухлучевого интерферометра. Прикладные вопросы голографии (тематический сборник), стр. 103-107. Ленинград, изд. ЛИЯФ, 1982.

7. J. Ran. Journal Optical Society of America, vol. 57, N 6, p. 798, 1967.

8. В. В. Лось, Г. X. Фридман, E. P. Цветов. Автометрия. № 6,46, 1972.

9. Г. Е. Корбуков, В. В. Куликов, Е. Р. Цветов. В сб. «Голография и обработка информации», под ред. С. Б. Гуревича, стр. 51. Ленинград, Наука, 1976.

10. В. А. Зубов, А. А. Меркин, Т. Т. Султанов. Краткие сообщения по физике, № 10, 35,1978.

11. А. Ф. Борисов, Э. И. Крупицкий, Т. Н. Сергиенко, В. И. Яковлев. Проблемы голографии, вып. VI, М., изд. МИРЭА, стр. 209-214.

12. А. И. Ларкин, А. А. Маркилов, Е. В. Русанов, С. Н. Стариков, Н. А. Толокнов. Оптический спектральный анализ графически заданных сигналов. Тезисы докладов III Всесоюзной школы по оптической обработке информации. Рига- 1980.

13. Авторское свидетельство № 780699: «Когерентно-оптический спектроанали-затор».

14. Ю. А. Быковский, А. А. Маркилов, В. Г. Родин, С. Н. Стариков. Оптическая обработка информации с преобразованием пространственной когерентности света. Квантовая электроника, 22, № 10 (1995).

15. Борн М., Вольф Э., Основы оптики. Москва, Наука 1970.

16. Armitage J. D., Lohmann A. W. Optica Acta, 12, 185 (1965).

17. Б. В. Кияшко. Оптические системы обработки сигналов на основе анизотропных сред. Квантовая электроника, 22, № 10 (1995).

18. Yu. A. Bykovsky, A. A. Markilov, М. F. Smazheliuk, S. N. Starikov. Fourier hologram recording by spatially incoherent quasimonochromatic light. Proc. SPIE, 1988, v. 963, pp. 354-360.

19. Vander Lugt A. IEEE Trans., IT 10, 139 (1964).

20. Lohmann A. W. Applied Optics, 7, 561 (1968).

21. К. Родье, Ф. Родье Построение изображение в оптической астрономии с помощью когерентного интерферометра. В кн. «Построение изображений в астрономии по функциям когерентности» (пер. с англ.), под ред. К. Ван Схон-велда. М: Мир, 1982.

22. Г. И. Василенко, А. А. Тараторкин. Восстановление изображений. М.: Радио и связь, 1986.

23. Применение методов фурье-оптики. Под ред. Г. Старка. М.: Радио и связь, 1988.

24. Р. Бейтс, М. Мак-Доннелл. Восстановление и реконструкция изображений. М.: Мир, 1989.

25. В. С. McCallum, J. Н. Rodenburg. Simultaneous reconstruction of object and aperture from multiple far-field intensity measurement. Journal Optical Society of America, vol. 10, N 2, p. 231 (1993).

26. В. А. Зубов. О восстановлении характеристик светового поля с использованием амплитудного и фазового транспаранта. Квантовая электроника, 14, №8, стр. 1715(1987).

27. В. А. Зубов, Т. В. Миронова. Модуляционно-спектральный анализ изображения, передаваемого через искажающую среду. Квантовая электроника, 25, № 5, стр. 476 (1998).

28. В. А. Зубов. Измерение характеристик импульсов лазерного излучения. Квантовая электроника, 17, № 2, стр. 229 (1990).

29. В. А. Зубов. Измерение сигналов и аппаратных функций. Квантовая электроника, 23, № 4, стр. 229 (1996).

30. Г. С. Ландсберг. Оптика. М.: Наука, 1976. Стр. 102-108.

31. Bykovsky Yu. A., Markilov A. A., Rodin V. G., Shapkarina Е. A., Solyakin I. V., Starikov S. N. Image formation in optical-electronic system with spacial coherent transformation of light field -Proc. SPIE, v. 2969, 1996, p. 639-642.

32. С. А. Ахманов, С. Ю. Никитин. Физическая оптика. Москва, Издательство Московского университета, 1998. Стр. 527-559.

33. А. Ярив, П. Юх. Оптические волны в кристаллах. М.: Мир, 1987. Стр. 78-131.

34. А. А. Васильев, Д. Кассасент, И. Н. Компанец, А. В. Парфенов. Пространственные модуляторы света. М.: Радио и связь, 1987.

35. R. A. Gelissen, Yu Huang, N. A. Riza. Polarization control using nematic liquid crystal. Proc. SPIE, 2000, v. 4046, pp. 118-129.

36. A. Guralnik, A. F. Naumov, V. N. Belopukhov. Optic and electric characteristics of phase modulators based on nematic liquid crystals. Proc. SPIE, 1998, v. 3684, pp. 28-33.

37. V. Y. Reshetnyak, О. V. Shevchuk. Electro-optical characteristics in the in-plane switching of nematic liquid crystals. Proc. SPIE, 2001, v. 4463, pp. 164-172.

38. K. A. Bauchert, S. A. Serati, A. Furman. Advances in liquid crystal spatial light modulator. Proc. SPIE, 2002, v. 4734, pp. 34-43.

39. S. Lee, S. Suresh, Liang-Chy Chien. Polymer-stabilized ferroelectric liquid crystal. Proc. SPIE, 2002, v. 4658, pp. 119-125.

40. H. Fujikake, T. Murashige, H. Sato, Y. lino, M. Kawakita, H. Kikuchi.Optical Engeneering, 2002, v. 41(09), pp. 2195-2201.

41. Бескурников А. Ю., Гончаров И. Г., Грачев А. П., Маркилов А. А., Петровский А. В. Помехоустойчивая система передачи оптической информации наинжекционных полупроводниковых лазерах. Сборник трудов Научной сессии МИФИ-2000, Москва, 2000, т. 4, с. 239-240.

42. Гончаров И. Г., Грачев А. П., Бескурников А. Ю. Широкая непрерывная перестройка длины волны излучения инжекционного полупроводникового лазера с внешним дисперсионным резонатором. Сборник трудов Научной сессии МИФИ-99, Москва, 1999, т. 3, с. 207-208.

43. С. М. Рытов, Ю. А. Кравцов, В. И. Татарский. «Введение в статистическую радиофизику», т. 2, «Случайные поля». М.: Наука, 1978.

44. В. И. Татарский. «Распределение волн в турбулентной атмосфере». М.: Наука, 1967.

45. Дж. Гудмен Введение в Фурье оптику. М. Мир. 1970.

46. Маркус Ф. А. Шумы модуляторов света в когерентных оптических системах. В кн.: Экспериментальная радиооптика. / Под. ред. Зверева В. А. и Степанова Н. С. М.: Наука, 1979, с. 108-125.

47. Отчет о НИР МИФИ. Взаимодействие лазерного излучения с веществом . Когерентная оптика и голография. Разработка и исследование методов и средств когерентной оптики, голографии и оптической обработки информации. Итоговый за 1981-1985. Москва, 1985.

48. Джейкман Е. Корреляция фотонов. В. кн. Спектроскопия оптического смешения и корреляция фотонов./ Под. ред. Г. Каммингса и Э. Пайка. М.: Мир, 1978, с. 71.

49. Bykovsky Yu. A., Markilov А. А., Rodin V. G., Shapkarina Е. A., Solyakin I. V., Starikov S. N. Image formation in optical-electronic system with spacial coherent transformation of light field Proc. SPIE, v. 2969, 1996, p. 639-642.

50. Bykovsky Yu. A., Markilov A. A., Rodin V. G., Shapkarina Е. A., Solyakin I. V., Starikov S. N., Terekhov M. V. The optical information processing systems with various structure incohérent radiation Proc. SPIE, v. 3516, 1999, p. 448-455.

51. Bykovsky Yu. A., Markilov A. A., Shapkarina E. A., Solyakin I. V., Starikov S. N. The use of polarization interferometer in lensless image formation system -Proc. SPIE, v. 3900, 1999, p. 338-339.

52. Маркилов A. A., Соловьев H. С., Солякин И. В., Стариков С. H., Шапкарина Е. А. Фурье-спектрограф на основе двулучепреломляющих кристаллов -Сборник трудов Научной сессии МИФИ-2000, т. 4, Москва, 2000, с. 221-222.

53. Маркилов А. А., Солякин И. В., Стариков С. Н., Шапкарина Е. А. Устранение влияния случайных экранов на формирование изображения в оптико-электронной системе Сборник трудов Научной сессии МИФИ-2002, т. 4, Москва, 2002, с. 214-215.