Голография и обработка изображений

Введение 3
1. История голографии 4
2. Физические принципы голографии 9
2.1. Общее сведения 9
2.2 Основные уравнения голографии 12
2.3. Способы формирования голограмм 15
3. Методы голографии 23
3.1. Изобразительная голография 23
3.2. Криминалистическая голография 24
3.3. Голографическая интерферометрия 25
3.4. Цифровая голография 26
3.4.1. Функция отклика и передаточная функция 28
3.4.2. Формирование изображения 31
3.4.3. Цифровая обработка полей в оптических системах 34
3.4.4. Виды обработки оптических полей 35
3.4.5. Обработка изображений 37
4. Виды голограмм 40
4.1. Мультикомплексные голограммы 40
4.2. Голограммы, записанные с помощью сканирующего источника света 40
4.3. Цветные голограммы 41
4.4. Голограммы, восстанавливаемые в белом свете 42
5. Применения голографии 43
5.1. Применение голографии в технологии и оптотехнике 43
5.2. Голографическое хранение данных 43
Заключение 45
Список используемых источников 46

1. История голографии
В 1970г. Ленинской премией в области науки и техники был удостоен цикл работ Ю.Н.Денисюка «Голография с записью в трехмерной среде». Эти работы представляют собой выдающийся вклад в развитие бурно развивающегося направления прикладной оптики—голографии. Обычно возникновение этого направления связывают с именем английского физика Денниса Габора, внесшего большой вклад в его развитие. Однако история этой новой отрасли оптики не столь проста, и работам Д.Габора предшествовали другие исследования, также формулировавшие принципы голографии. [1]
Новейший путь развития голографии таков. Голографический метод регистрации и воспроизведения объектов был предложен в 1948г.Д.Габором, как один из методов корпускулярной (электронной) оптики, возникшей в ходе исследования путей совершенствования электронной микроскопии, и был опробован в оптическом диапазоне. Как отмечает сам Д.
...

2.1. Общее сведения
Голография – это интерференционный метод регистрации световых волн, дифрагировавших на объекте, освещенном когерентным светом[3]. При этом дифрагированные волны должны проинтерферировать с согласованной с ними по фазе опорной волной. Если волны обладают достаточной степенью когерентности, то распределение разности их фаз в пространстве остается постоянным в течение времени, необходимого для регистрации голограммы. Следовательно, возникает стационарная интерференционная картина с определенным распределением интенсивности. Поле, соответствующее этой картине, носит название голографического поля. Отображение этой картины на каком-либо носителе, например, на фотографической пластинке, называется голограммой.
...

2.2 Основные уравнения голографии
Формализуем описанный выше принцип голографической записи волновых фронтов. Для этого обратимся к рисунку 2.

Рисунок 2 – Общая схема получения голограммы.
На рисунке представлены два предмета М и N.Они освещаются когерентным светом от одного и того же источника. Отраженное от предметов излучение интерферирует в области пространства, где расположена регистрирующая среда. Поскольку время регистрации и восстановления голограммы, в общем случае, значительно превышает период осцилляции используемого излучения, то при описании процессов получения голограммы и восстановления волнового фронта нас будут интересовать только комплексные амплитуды света непосредственно вблизи регистрирующей среды. Комплексную амплитуду света, падающего на пластинку от предмета M, можно записать в виде:

где o и являются функциями пространственных координат плоскости регистрации голограммы, описывающими действительную амплитуду и фазу волны с комплексной амплитудой О.
...

2.3. Способы формирования голограмм
Схема регистрации голограмм Габора
В этом положении (положении 1 на рисунке 3) главные лучи объектного и опорного пучков распространяются по одному направлению. Полученные таким образом голограммы называются осевыми голограммами или голограммами Габора. При их записи разность хода объектной и опорной волн в пределах поверхности пластинки минимальна по сравнению со всеми другими возможными положениями, что позволяет использовать её для формирования голографического поля источники излучения с низкой степенью когерентности. Относительно большое расстояние между соседними поверхностями максимумов снижает требования к разрешающей способности регистрирующей среды.

Рисунок 3 – Принципиальная схема записи голограмм Габора:
S –источник когерентного излучения; Т – транспарант с изображением объекта; Н – голограмма.
...

3.1. Изобразительная голография
Технология получения изобразительных голограмм, восстанавлива-емых в белом свете, разработана в середине 60-х годов, однако до настоящего времени голография по масштабам распространенности и объемам производства не приблизилась к традиционной фотографии (за исключением тисненных радужных голограмм). Это обусловлено целым рядом технических сложностей, присущих современной технологии съемки и тиражирования изобразительных голограмм. В частности, в настоящее время при записи мастер-голограмм в подавляющем большинстве случаев используются лазеры непрерывного излучения, что накладывает жесткие ограничения на условия съемки (необходимость повышенной виброизоляции, стабильность температуры и других параметров окружающей среды). Указанные сложности многократно возрастают при увеличении формата голограмм.
...

3.2. Криминалистическая голография
Возможность голографического кодирования информации может быть широко использована в криминалистике. Например, как средство, устраняющее возможность подделки документов, или как средство технической гарантии, препятствующее фальсификации объектов.
Голографическое кодирование осуществляется с помощью специальных масок, которые в процессе фиксации интерференционной картины создают сложную форму волнового фронта. Для восстановления записанной таким образом информации об объекте необходимо иметь точную копию использованной при записи маски, форма которой может быть самой разнообразной, вследствие чего подобрать ей подобную практически невозможно. Голографические методы могут быть использованы в криминалистике и как средства исследования.
...

3.3. Голографическая интерферометрия
С развитием голографии возникла голографическая интерферометрия, выполняемая гораздо проще, чем обычная, с меньшими затратами и ограничениями. Ее сущность такова: если совместить две голограммы объекта, записанные в различное время при разных состояниях поверхности объекта (один из способов – записать на одну фотопластинку), то при освещении этой фотопластинки лазерным лучом возникает результирующая интерферограмма, отражающая разницу геометрических состояний объекта. Линии интерферограммы показывают как перемещения целого объекта, так и деформацию его поверхности. Общие и локальные перемещения обычно хорошо разделяются.
Голография позволила исследовать объекты с любым, самым замысловатым рельефом. Подготовка поверхности стала минимальной. Главное – ее микрорельеф не должен измениться за время исследования. Другими словами, очистить, промыть и не загрязнить – требования на бытовом уровне.
...

3.4. Цифровая голография
Идея применения компьютерной обработки для восстановления
голографически записанного изображения была впервые предложена
Дж. Гудменом и Р. Лоуренсом, а также Р.В. Кронродом и др.Развитие компьютерных технологий итвердотельных приемников излучения позволило записывать голограммы с помощью светочувствительных матриц на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС-камер) в цифровой форме. При этом процесс записи и обработки голограмм является полностью цифровым и получил название цифровойголографии.
Замена фотопленки на ПЗС-камеру накладывает некоторые ограничения и ведет к изменениям в технологии записи голограмм, однакоосновной принцип голографии остается неизменным – восстановление объектной волны O иззаписанной интерференционной картины.
...

3.4.1. Функция отклика и передаточная функция
В самом общем виде функциональная схема записи и обработки оптической информации приведена на рисунке 7. Плоская монохроматическая волна 1 освещает объект 2, который размещают во входной (предметной) плоскости системы 3. Излучение, прошедшее объект или отраженное от него, попадает во входное отверстие (входной зрачок) 7 оптической системы 4. Пройдя элементы оптической системы, излучение выходит из выходного отверстия (выходного зрачка) 8 и формирует в выходной плоскости (плоскости изображений) 5 изображение объекта. Вблизи плоскости изображений располагается светочувствительный элемент 6 регистрирующей системы (фотопластина, матрица фотоприемников и т.д.
...

3.4.2. Формирование изображения
Если предмет помещен перед линзой и освещен, то при определенных условиях в другой плоскости возникает распределение интенсивности, которое очень напоминает предмет. Это распределение называется изображением предмета. Изображение может быть действительным в том смысле, что в плоскости за линзой возникает действительное распределение, и мнимым в том смысле, что свет за линзой кажется исходящим из новой плоскости, расположенной перед линзой. [9]
Предположим, что плоский предмет, находящийся на расстоянии перед положительной линзой, освещен монохроматическим светом. Обозначим комплексное поле непосредственно за предметом через Распределение поля, которое возникает на расстоянии за линзой, обозначим через . Задача – определить условия, при которых распределение поля можно с уверенностью назвать "изображением" распределения поля в плоскости предмета .
Ввиду линейности явления распространения волн поле можно представить в виде интеграла суперпозиции (20).
...

3.4.3. Цифровая обработка полей в оптических системах
Важнейшей задачей оптики всегда было повышение качества и информационной производительности оптических приборов. В настоящее время современная оптико-электронная техника, по существу, решила проблему формирования изображений высокого качества и большой информационной емкости для большинства практических задач. Важнейшей стала проблема эффективности использования заключенного в них огромного объема информации, т.е. проблема обработки изображений, голограмм и интерферограмм.
Фундаментальным методом решения этой проблемы является развитие на основе теории информации и теории сигналов информационных аспектов теории оптического изображения, оптических систем и привлечение современных методов обработки сигналов, из которых важнейшими в настоящее время являются средства компьютерной техники. Оптические приборы с вычислительными устройствами теперь усиливают не только оптические свойства зрения, но и его аналитические возможности.
...

3.4.4. Виды обработки оптических полей
Как научное направление, обработка оптических полей соприкасается с многими ветвями информационных и компьютерных наук – с распознаванием образов, искусственным интеллектом, компьютерным зрением, телевидением, интроскопией, акустоскопией, радиоголографией, томографией. Задачи, решаемые в рамках данного направления, можно классифицировать следующим образом.
Cинтез изображений по сигналам, получаемым с датчиков физических полей. Задача цифровой обработки сигналов датчиков, направленная на их преобразование в форму, пригодную для визуализации. Сюда, например, относится томографический синтез, цифровое восстановление акустических и радиоголограмм, формирование изображений в оптических и других системах с кодированной апертурой и т.д.
Коррекция искажений. Задача компьютерной обработки искаженного изображения или сигнала, направленная на получение изображения (сигнала), соответствующего выходу идеальной изображающей системы.
...

3.4.5. Обработка изображений
Все предлагаемые процедуры обработки изображений можно разбить на две группы. К первой относятся операции изменения яркости и контрастности изображений, а также проведение бинаризации и просмотр отдельных структурных фрагментов. Чаще всего указанные операции осуществляются на предварительной стадии обработки оптических полей. Ко второй группе относятся операции, обеспечивающие определение характеристик оптических полей. С их помощью определяются следующие характеристики.
1. Статистика точек введенного изображения по их интенсивности.
2. Распределение интенсивности по сечению пучка, профили пучка, поперечные размеры пучка.
3. Среднее значение интенсивности по заранее заданной площади на приемной апертуре оптической системы.
4. Относительная дисперсия флуктуаций интенсивности

где распределение интенсивности в сечении светового пучка в декартовых координатах.
5.
...

4.1. Мультикомплексные голограммы
Мультикомплексной называют такую голограмму, на которой одновременно записано много изображений, либо раздельно записаны отдельные части одного изображения, либо единственное изображение записано несколько раз.
Пространственное мультиплексирование
При решении задачи хранения данных для записи многих голограмм можно использовать единственную фотопластинку или какой-либо иной материал, причем каждая голограмма может независимо восстанавливать изображения, записанных на ней данных. При этом голограммы могут образовывать решетку типа шахматного поля, а для считывания изображения с каждой голограммы лазерный луч сканирует по решетке.
Встречается и другой способ пространственного разделения голограммы, когда одна и та же объектная волна или волна от одного и того же объекта, но с разных ракурсов записывается на голограмме в виде полос.
...

5.1. Применение голографии в технологии и оптотехнике
В ряде технологических процессов можно использовать образуемые голограммами действительные изображения. При просвечивании голограмм мощным лазером можно наносить на обрабатываемые поверхности сложные узоры. В частности, голограммы уже применялись для бесконтактного нанесения микроэлектронных схем. Основные преимущества голографических методов перед обычными – контактными или проекционными – достижение практически безаберрационного изображения на большом поле. Предел разрешения голограммы может достигать долей длины световой волны. На изображение практически не влияют пылинки, осевшие на голограмму, царапины и другие дефекты, в то время как для контактных или проекционных фотошаблонов это приводит к браку.
Другое применение голограммы в технологии – использование ее в качестве линзы. Фокусирующие свойства зонных решеток известны давно. Однако применение решеток ограничивалось трудностями их изготовления.
...

5.2. Голографическое хранение данных
Идея голографических носителей заключается в записи информации с помощью лазерного луча на трехмерную подложку, вместо нескольких гигабайт, такая среда могла потенциально сохранять терабайты данных на носителе не больший чем компакт-диск. Голографические данные могут считываться на очень высоких скоростях.
На первых стадиях разработки главной проблемой было создание пространственных модуляторов света (spatiallightmodulator). В настоящее время технология этих устройств в достаточной степени отработана, а наиболее сложной задачей стал подбор вещества-носителя информации. В январе 2001 года компания Lucent сообщила о создании носителя, способного выдержать до 1000 циклов перезаписи без ущерба сохранности данных и скорости доступа к ним. Внешне носитель напоминает прозрачный компакт-диск. По данным Imation первые голографические диски могут хранить около 125 Гб информации, а скорость передачи данных составляет до 30 Мб/с.
...

Заключение
Таким образом, согласованные усилия многих исследователей позволили накопить ряд сведений и фактов о свойствах голограмм. Оказывается, что материализованная объемная картина волн интенсивности способна воспроизводить волновое поле со всеми его параметрами – амплитудой, фазой, спектральным составом, состоянием поляризации и даже с изменениями этих параметров по времен.Однако общая картина этого явления пока еще далека от завершения.И дело здесь не только в том, что в ряде случаев мы не знаем полностью набор отображающих свойств некоторых видов голограмм. Есть все основания считать, что будут открыты новые неожиданные оптические свойства голограмм.
Вполне вероятно, что ряд новых эффектов будет обнаружен при применении светочувствительных материалов, обладающих специфическими свойствами, подобно тому как применение резонансных и поляризационных сред открыло возможность записи временных и поляризационных характеристик волновых полей.
...