Короленкo П.В. Оптика когерентного излучения (1095919), страница 24
Текст из файла (страница 24)
Тогда ввыходной плоскости системы 4-F сформируется сигнал. Так как S'=SH, тосогласно (3.6.11)(3.6.12)Это означает, чтоТаким образом, благодаря модуляционной характеристике(3.6.11) фильтр "учел" и автоматически "вычел" те искажения, которые оптическаясистема внесла при построении изображения.3.7. Сопоставление методов когерентной и некогерентной оптики [2]Когерентная оптическая фильтрация зарекомендовала себя удобным средствомобработки изображений, что объясняется ее высоким быстродействием, двумерностью,а также относительной универсальностью, поскольку могут быть реализованы почтилюбые линейные пространственно-инвариантные операции фильтрации надкомплексными сигналами.
Тем не менее когерентные методы имеют и слабые стороны.К ним, в первую очередь, относится требование когерентности источника света, что непозволяет обрабатывать самосветящиеся объекты, такие, например, как изображения нателевизионном экране. Другим недостатком когерентных систем является их большаячувствительность к различного рода шумам (например, связанным с зернистостьюфотоэмульсий, дефектами оптических поверхностей и т.д.). Эти шумы негативносказываются на качестве выходных изображений.Указанные недостатки методов обработки информации в когерентном светестимулируют разработку альтернативных способов, основанных на принципахнекогерентной оптики.
Однако, поскольку подробное изучение этих способов выходитза рамки книги, ограничимся самыми общими замечаниями.В отличие от когерентного оптического сигнала (x,y) некогерентный сигналописывается не комплексной, а действительной функцией. Информация содержится винтенсивности световой волны(3.7.1)Фазовая информация в световой волне утрачивается.Интеграл свертки примет вид(3.7.2)Здесь функция(3.7.3)является некогерентной функцией системы.
Аналогично в случае некогерентныхизопланарных систем вводят некогерентную передаточную функцию системы(3.7.4)Используя (3.7.3) и известную в Фурье-анализе теорему автокорреляции, можнопостроить выражение(3.7.5)которое определяет связь между передаточными функциями для когерентного инекогерентного сигналов.3.8. Характеристики качества изображения [10]В заключение данной главы рассмотрим дополнительно вопрос о количественныххарактеристиках качества изображений формируемых оптическими системами.Если бы волновой интервал светового излучения был бесконечно мал, а оптическаясистема (объектив) совершенна, то функция 0(x,y) преобразовалась бы идеальнымобразом в распределение освещенности '0(x',y'); единственным различием их было былинейное увеличение.
Реальное же распределение освещенности визображении 'i(x',y') отличается от идеального 0 из-за поперечногодифракционного рассеяния света, а так же несовершенств объектива. Качествоизображения - мера степени отличия i от 0.Принято использовать три параметра для сравнения распределений в объекте(предмете) и изображении. Этими параметрами являются:относительное содержание (емкость) структуры TL(3.8.1)правдоподобие изображения ФL(3.8.2)(3.8.3)Пределы интегрирования здесь формально, но обычно достаточноинтегрировать в пределах формата данного изображения. Заметим, что(3.8.4)Относительное содержание структуры наиболее близко подходит к тому, что обычноподразумевается под качеством изображения; реально же величина TL представляетискажения вариаций функции 0 в процессе ее регистрации.
Ограниченияприменимости величины TL связаны с искажениями, вносимыми оптической системойили приемником изображения. Величина TL также "не чувствительна" к искажениямкоординатной сетки из-за дисторсии. Эти искажения хорошо описываютсявеличиной ФL - поэтому она широко используется в приложениях, где подобиекоординатной сетки принципиально важно. Корреляционное качество отражаетсочетание требований как к подобию координатной сетки, так и к структурномусодержанию изображения.Параметры качества представляют собой удобные оценочные характеристики дляслучаев, когда параметры поверхности предмета априорно хорошо известны;указанные параметры - одночисловые, они легко сравнимы (для разных систем) инепосредственно взаимосвязаны (для данной системы).ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ 31.
Гудмен Дж. Введение в фурье-оптику. - М.: Мир, 1970, 364 с.2. Дьяков В.А., Тарасов Л.В. Оптическое когерентное излучение.- М.: СоветскоеРадио, 1974; 169 c.3. Парыгин В.Н., Балакший В.И. Оптическая обработка информации.-М.: Изд.МГУ, 1987, 141 c.4. Матвеев А.Н. Оптика.- М.: Высшая школа, 1985, 351c.5. Марешаль А., Франсон М. Структура оптического изображения.- М.: Мир,1964. 295 с.6. Козанне А., Флере Ж., Мэтр Г., Руссо М.
Оптика и связь.- М.: Мир, 1984, 504 c.7. Франсон М. Голография.- М.: Мир, 1972, 246 с.8. Сороко Л.М. Основы голографии и когерентной оптики.- М.: Наука, 1971, 616с.9. Федоров Б.Ф. Эльман Р.И. Цифровая голография. - М.: Наука, 1976, 152 с.10. Уэзерелл У.
Оценка качества изображения. //Сб. Проектирование оптическихсистем. Под ред. Р. Шеннона и Дж. Вайнта.-М.: Мир, 1983, 430 с.ГЛАВА 4. МЕТОДЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ОПТИКИТермин "компьютерная оптика" является относительно новым и не приобрел ещестрогого определения. Разные авторы очень часто вкладывают в него различноесодержание. Можно сказать, что в самом широком смысле слова "компьютернаяоптика" - это компьютеры в оптике и оптика в компьютерах.
Сюда относятсячисленные решения задач дифракции и фокусировки излучения, автоматизированноепроектирование и гибкое автоматизированное производство оптических систем,обработка изображений, оптический вычислительный эксперимент, оптическиепроцессоры и запоминающие устройства, цифровая голография.Очень часто формулировка предмета компьютерной оптики как научного направлениясужается и в нее вкладывается более конкретный смысл. При этом считается, чтокомпьютерная оптика - это получение на основе применения ЭВМ оптическихэлементов, осуществляющих требуемое преобразование волновых полей. Именно натакую направленность компьютерной оптики и сориентирован, в основном, материалнастоящей главы.Компьютерная оптика возникла на стыке физической оптики и информатики и сталаформироваться как новое научное направление, объединяющее теорию, методы итехнические средства обработки оптических сигналов с использованием ЭВМ, иотражающее тот факт, что современная оптика и оптические приборы становятся все вбольшей степени цифровыми.Какие качественно новые свойства придают компьютеры оптическим системам?Главных свойств два.
Во-первых, это способность к адаптации и гибкость вперенастройке. Благодаря тому, что компьютер способен перестраивать структуруобработки сигнала без перестройки своей физической структуры, он являетсяидеальным средством адаптивной обработки оптических сигналов и быстройперестройки ее на решение разных задач. Здесь речь идет прежде всего обинформационной адаптации. Заметим попутно, что эта способность ЭВМ к адаптации иперестройке нашла также применение в активной и адаптивной оптике для управлениясветовыми пучками как переносчиками энергии.Во-вторых, это простота и естественность получения и переработки количественнойинформации, содержащейся в оптических сигналах, соединение оптических систем сдругими информационными системами. Цифровой сигнал, представляющий вкомпьютере оптический сигнал,- это переносимая оптическим сигналом информация,так сказать, в чистом виде, лишенная своей физической оболочки.Благодаря универсальному характеру цифровой сигнал представляет собой идеальноесредство объединения различных информационных систем.
Теоретической базойкомпьютерной оптики являются теории информации, цифровой обработки сигналов,статистических решений, теория систем и преобразований в оптике.4.1. Задачи компьютерной оптики [1,2]Одно из основных предназначений компьютерной оптики состоит в расширении гаммыконструктивных элементов оптических систем. Помимо традиционных линз, призм изеркал с помощью современных вычислительных средств и систем управления могутбыть созданы оптические элементы с более широкими функциональнымивозможностями. Типичным представителем семейства элементов компьютернойоптики является плоский оптический элемент - киноформ.
Сочетание киноформныхкорректоров с обычными линзами позволяет проектировать оптические системы сослабыми сферическими аберрациями и новыми оптико-физическими свойствами.Существо подхода к созданию элементов компьютерной оптики состоит в следующем.Оптический элемент, работающий на пропускание или на отражение излучения,характеризуется амплитудно-фазовой функцией пропускания или отражения. Этахарактеристика должна быть определена, исходя из решаемой задачи преобразованияволнового поля. Для простейших случаев может быть известно ее аналитическоевыражение, например, фазовая функция сферической или цилиндрической линзы.
Вобщем же случае требуется применение ЭВМ для определения характеристикиоптического элемента. При этом ЭВМ может использоваться как для численныхрасчетов в рамках прямой задачи, так и для решения обратных задач. Таким образом,на этапе проектирования, компьютер используется для определения характеристикисоздаваемого оптического элемента.После того, как указанная характеристика сформирована в памяти ЭВМ, возникаетзадача переноса ее на физическую среду с помощью программно-управляемоготехнологического автомата. На этом этапе роль компьютера также очень велика.Созданный оптический элемент необходимо далее экспериментально исследовать иаттестовать.
Экспериментальные данные при этом регистрируются, как правило, в видеразличного рода распределений интенсивности света: теневых картин, интрферограмм,голограмм. При этом компьютер необходим для обработки, отображения иинтерпретации экспериментальных данных, поскольку визуальные наблюдения иручная обработка не позволяют получать количественные результаты.Необходимо отметить, что в компьютерной оптике перспективным методомисследования является вычислительный эксперимент, в котором ключевую роль играеткомпьютер. Процесс создания элементов компьютерной оптики носит сложныйитерационный характер и на компьютер возлагается также функция обеспечениядиалога с проектировщиком, технологом и исследователем.В компьютерной оптике можно выделить следующие основные направления:цифровая голография;решение обратных задач теории дифракции и создание на их основе фокусаторови корректоров излучения;создание оптических элементов для анализа и формирования поперечномодового состава излучения;создание корректоров волновых фронтов и пространственных фильтров дляоптических систем обработки информации и оптико-цифровых процессоров;цифровая обработка полей в оптических системах.Характеристику вышеуказанных направлений мы начнем с цифровой голографии.Именно работы по цифровой голографии во многом стимулировали появлениекомпьютерной оптики как самостоятельного научного направления на стыке квантовойэлектроники, вычислительной математики и информатики.4.2.
Цифровая голография [3-5]Цифровой голографией называется метод получения и восстановления голограмм, прикотором основная роль отводится компьютеру. Роль компьютера заключается в расчетераспределения коэффициента прозрачности или преломления по полю голограммы,которое затем записывается в оптической запоминающей среде. С помощьюкомпьютера рассчитывается и восстанавливается изображение, которое записано натакой синтезированной голограмме и которое можно было бы получить оптическимпутем.Имеется ряд веских оснований для такого синтеза голограмм и, в частности, тообстоятельство, что геометрические размеры голографического объекта в этом случаене ограничиваются такими факторами, как когерентность освещения, вибрация илитурбулентность воздуха, и появляется возможность исследовать путем моделированиянекоторые голографические эффекты.Еще более существенным моментом, стимулирующим синтезирование голограмм спомощью компьютеров, является возможность создать оптический волновой фронт длятакого объекта, который физически не существует.
Потребность в формированииволнового фронта, соответствующего объекту, определяемому расчетным путем,возникает в любом случае, когда требуется визуально отобразить в трех измеренияхрезультаты того или иного трехмерного исследования, например, при моделированииразрабатываемых конструкций. Иногда волновой фронт от синтезированнойголограммы может служить интерференционным эталоном для контроля сложнойоптической поверхности в процессе ее обработки. Другая область применения такихголограмм связана с экспериментами по пространственной фильтрации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
