П. А. ЧЕРЁМХИН, А. А. РОПЯНОЙ
Научный руководитель – С. Н. СТАРИКОВ
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Запись и восстановление
цифровых голограмм френеля
Рассмотрены методы записи цифровых голограмм Френеля и их численного восстановления, исследовались характеристики матричных цифровых фоторегистраторов, определены их возможности при записи цифровых голограмм. Получены ограничения на параметры голографируемых объемных сцен, обусловленные характеристиками регистратора голограммы. Для численного восстановления цифровых и синтеза компьютерных голограмм реализованы методы преобразования Френеля, распространения углового спектра и расчёта дифракции Френеля через фрактальное преобразование Фурье. Этими методами выполнен синтез и восстановление цифровых голограмм.
При записи цифровых голограмм важны различные параметры (характеристики цифрового регистратора голограммы и излучения, параметры голографируемой объёмной сцены). В работе получены зависимости максимального размера и числа отсчётов в объекте от числа отсчётов и разрешения цифровой голограммы. Определена связь этих параметров, позволяющая находить взаимное расположение голограммы и объекта для получения минимального расстояния между ними zmin.
Для цифровой видеокамеры технического зрения Pixelink PL-B781F получено, что линейный участок регистрации составляет 96±1 % от всего диапазона. К достоинствам камеры при записи цифровых голограмм относятся малые размеры пикселей ‑ 3,5 мкм и достаточно большое их количество ‑ 6,6 Мпикс; недостатками являются малые времена экспозиции (до 2 с), невысокие максимальные значения временного (≈ 100) и пространственного отношения сигнал/шум (≈ 150).
Проведена экспериментальная оценка параметров научной измерительной камеры Megaplus II ES11000. Тестированием режимов работы камеры установлены недокументированные возможности, позволяющие увеличить максимальное время экспозиции в режиме без внешнего запуска с 0,4 c до 10 с и с 10 с до 600 с - с внешним запуском. К достоинствам камеры при её применении для записи цифровых голограмм относятся: большое количество пикселей 10,7 Мпикс, высокие значения максимального пространственного (≈ 190) и временного отношения сигнал/шум (≈ 210), возможность получения большого времени экспозиции (до 600 с); недостатком является большой размер пикселей – 9 мкм.
Для численного восстановления цифровых голограмм Френеля и возможности их компьютерного синтеза были реализованы и применены три метода расчёта светового поля: метод преобразования Френеля (ПФ) (дальняя зона дифракции Френеля), метод распространения углового спектра (РУС) (ближняя зона дифракции Френеля) и метод расчёта дифракции Френеля через фрактальное Фурье-преобразование (ФФРФТ).
а | б |
в | г |
Рис. 1. а) исходное изображение на поле 512х512 отсчётов; б) восстановленное изображение методом РУС (3·zmin); в) восстановленное изображение методом ПФ (3·zmin); г) восстановленное изображение методом ФФРФТ(3·zmin)
Реализации методов численного восстановления проверены на цифровой голограмме, записанной в экспериментальных условиях в дальней зоне дифракции Френеля. Исходное изображение (рис.1а) методом РУС (рис.1б) восстановилось с искажениями, так как условия записи голограммы не согласуются с границей применимости этого метода. Методами ПФ (рис.1в) и ФФРФТ (рис.1г) получены правильные восстановленные изображения объекта, записанного на цифровую голограмму, что согласуется с условиями применимости методов.
Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на годы.
