Обработка когерентных изображений методом акустооптической пространственной фильтрации (1104181), страница 4
Текст из файла (страница 4)
При этом, отстроив частоту16ультразвука от частоты брэгговского синхронизма f * на величинуV 2n,Δf ≈ ±2λlf ∗(7)можно зарегистрировать на выходе АО ячейки одновременно два визуализированныхизображения I1 ( y, z ) и I 2 ( y, z ) , соответствующихположениям рабочей точки напротивоположных склонах передаточной функции. Обработка этих изображений всоответствии с формулой (6) позволяет производить визуализацию волнового фронта врежиме реального времени.В последнем разделе четвертой главы представлены результаты экспериментальногоисследования АО метода визуализации оптического волнового фронта.
Вкачествевизуализируемого объекта использовалась капля жидкости (масла), зажатая между двумяпараллельными стеклянными пластинками. Такойобъектдолжен производить толькофазовую модуляцию проходящего через него света и не должен быть виден при обычномспособе наблюдения. В реальности же граница раздела жидкости и воздушной прослойкидает рассеяние света в широком угловом диапазоне, превышающем угловую апертурувходного объектива. В результате этого в выходном изображении граница каплиоказывается четко очерчена темной линией, одинаковой вдоль всей границы.
Эта границав виде овала хорошо видна на рис. 6а, полученном при выключенном ультразвуке.(а)(б)(в)Рис. 6. Экспериментальные результаты АО визуализации фазовых объектов.(а) – входное изображение; (б),(в) – отфильтрованные изображения приразличных частотах ультразвука.Рис. 6б,в демонстрируют отфильтрованные изображения объекта при различныхчастотах ультразвука. Они содержат больше информации об объекте, чем рис. 6а. Внижней части картины (ниже овальной капли) проявились детали изображения, которые17отсутствовали на рис.
6а. Дело в том, что помимо капли масла, зажатой междустеклянными пластинками, на одной из пластинок был нанесен слой масла толщинойменьшей, чем расстояние между пластинками. Этот слой оказался переменной толщины ипредставлял собой идеальный фазовый объект. В полном соответствии с компьютерныммоделированием, здесь видно псевдообъемное изображение исследуемого объекта.Наибольший контраст изображения получается в области, на которую приходитсянаибольшая крутизна передаточной характеристики АО фильтра. Таким образом, плавноизменяя частоту ультразвука и тем самым изменяя контраст различных частейизображения, можно наблюдать наиболее интересные области визуализируемого объекта ипроизводить измерения фазового объекта в режиме реального времени.Использованный в этом эксперименте объект не являлся идеальным фазовымобъектом.
Поэтому, полученная информация о распределении фазы в световой волне былаискажена наложением паразитных амплитудных составляющих – границ раздела жидкостии воздушной прослойки, интерференционных полос, частиц пыли, царапин на оптике и пр.Амплитудные детали видны как в отсутствии ультразвука (рис.
6а), так и вотфильтрованных изображениях (рис. 6б,в). В соответствии с предложенным методомразделения амплитудной и фазовой модуляции, по алгоритму (6) были обработаны парныеизображения, полученные при разных положениях рабочей точки.
Смещение рабочейточки осуществлялось изменением частоты ультразвука. Рис. 7 демонстрирует результатэксперимента. Видно, что паразитные амплитудные составляющие сигнала почтиполностью исчезли и не мешают наблюдению волнового фронта в виде псевдообъемнойструктуры.Рис. 8. Визуализация фазового объекта отдельно от паразитныхамплитудных составляющих.18В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:1.
Впервые исследована и подробно описана пространственная структура АОфазовогосинхронизмадляразныхсрезоводноосногокристалла,направленийакустической волны и частот ультразвука. Показано, что совокупность углов Брэггаанизотропной дифракции образует сложные конические поверхности с направляющими,форма и пространственная ориентация которых определяются анизотропией оптических иакустических свойств кристалла, а также направлением распространения и частотойультразвука.2. Впервые проведен теоретический анализ двумерной структуры передаточныхфункции АО ячейки. Показано, что в одноосных кристаллах возможны различные видыпередаточных функций: в форме дуги, ориентированной под разными углами к главнойплоскости АО взаимодействия, в форме кольца с аксиальной симметрией (в областитангенциальной геометрии)и в форме креста (в области коллинеарной геометрии).Установлено на примере кристалла парателлурита, что сильная анизотропия АО качестваможет существенно изменить форму передаточной функции.
Разнообразие видовпередаточных функций дает широкие возможности для формирования световых пучков снеобходимой пространственной структурой и для пространственной фильтрацииизображений.3. Эксперименты по визуализации передаточных функций, выполненные с АОячейками на основе кристаллов парателлурита и молибдата кальция, показали хорошеесоответствие наблюдавшейся формы передаточных функций с результатами расчетов.4. Впервые выполнен детальный расчет пространственно-частотных характеристиксистемы АО обработки изображений для случаев пространственной фильтрации в нулевоми первом порядках брэгговской дифракции и в разных геометриях АО взаимодействия.Установлено, что квазиортогональная геометрия позволяет осуществлять узкополоснуюфильтрацию, тогда как тангенциальная и коллинеарная геометрии оптимальны дляобработки изображений с высоким разрешением.При помощи компьютерногомоделирования продемонстрированы различные виды АО обработки изображений, такиекак интегрирование и оконтуривание, а также выборочное дифференцирование иинтегрирование.
Показано, что АО метод позволяет быстро (в течение несколькихмикросекунд) перестраивать передаточную функцию и таким образом переходить от19одного вида обработки изображений к другому. Это позволяет обрабатывать изображенияв реальном масштабе времени.5. Создан макет системы АО фильтрации изображений на основе ячейки из кристаллапарателлурита 4о-го среза, работавшей в диапазоне частот 40÷70 МГц, на котором врежиме анизотропной дифракции на длине волны света 632.8 нм экспериментальнопроверены основные выводы теории.
Полученные отфильтрованные изображения хорошосоответствуют результатам теоретического анализа.6. Впервые теоретически и экспериментально исследован АО метод визуализациидвумерных фазовых объектов. Показано, что в зависимости от выбора положения рабочейточки на передаточной функции можно реализовать различные законы преобразованияфазовой модуляции светового поля в модуляцию интенсивности. Наибольший интереспредставляет вариант, когда распределение интенсивности в выходном сигналепропорционально градиенту фазы исходного светового поля. Установлено, что в этомслучае контраст визуализированного изображения пропорционален глубине фазовогорельефаисходногоизображения,аразрешениеопределяетсярасходимостьюакустического пучка.
Впервые экспериментально получены изображения фазового объектаАО методом.7. Предложен и детально исследован АО метод раздельной визуализацииамплитудной и фазовой структуры светового поля, заключающийся в регистрации ипоследующей обработке двух изображений, полученных при симметричных положенияхрабочей точки на противоположных склонах передаточной функции. Показано, что эти дваизображения могут регистрироваться как последовательно в одном дифрагированномпучке при перестройке угла падения света или частоты ультразвука, так и одновременно вдвух дифракционных максимумах при использовании особой геометрии анизотропнойдифракции света.
Работоспособность метода подтверждена с помощью компьютерногомоделирования, а также при его экспериментальной реализации.20Список публикаций по теме диссертации1.Balakshy V.I., Voloshinov V.B., Kostyuk D.E. Optical image processing by means ofacousto-optic spatial filtration. // J. Modern Optics, 2004, v. 52, №1, pp.1-20.2.Балакший В.И., Костюк Д.Е. Пространственная структура акустооптическогофазового синхронизма в одноосных кристаллах. // Оптика и спектроскопия, 2006,т.101, №2, с.283-289.3.Балакший В.И.,Костюк Д.Е.Применениетангенциальнойгеометрииакустооптического взаимодействия для визуализации фазовых объектов.
// Оптика испектроскопия, 2008, т.104, №4, с.680-686.4.Balakshy V.I., Kostyuk D.E. Application of acousto-optic selectivity for optical imageprocessing. // Proc. SPIE, 2004, v.5828, pp.95-104.5.Balakshy V.I., Kostyuk D.E. Phase object visualization at Bragg acousto-optic interaction.// Proc. SPIE, 2004, v.5828, pp.84-94.6.Balakshy V.I., Kostyuk D.E.
Application of Bragg acousto-optic interaction for opticalwavefront visualization. // Proc. SPIE, 2005, v.5953, pp.136-147.7.Balakshy V.I., Kostyuk D.E. Acousto-optic selection of optical spatial frequencies inuniaxial crystals. // Proceedings of 32nd Winter School “Molecular and QuantumAcoustics”, Szczyrk, Poland, 2003, pр.169-175.8.Balakshy V.I., Kostyuk D.E.
The usage of acousto-optic spatial filtration in optical imageprocessing. // Proceedings of VI International Conference for Young ResearchersWECONF-2003, St.Petersburg, 2003, pр.A1-A10.9.Balakshy V.I., Kostyuk D.E. Visualization of light field phase structure in tangentialgeometry of acousto-optic interaction. // Proceedings of IX International Conference forYoung Researchers WECONF-2006, St.Petersburg, 2006, pp.10-16.10.Balakshy V.I., Kostyuk D.E. Visualization of phase objects in geometry of tangentialacousto-optic interaction. // J. Phys. IV, 2006, v.137, pp.3-8.11.Balakshy V.I., Kostyuk D.E. Simulation of acousto-optic spatial filtration of images inuniaxial crystals. // Proc.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
