Формирование когерентного оптического изображения

ФОРМИРОВАНИЕ КОГЕРЕНТНОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ [c.92]

В этой главе в общих чертах показаны главные положения фурье-анали-за при формировании оптического изображения и его обработке в условиях когерентного и некогерентного освещения. Они включают как одиночное преобразование Фурье, так и преобразование в сочетании со сверткой и корреляцией. Следует, однако, сразу же привлечь внимание к тому факту, что важность этих положений не ограничивается обработкой данных, имеющих оптическое происхождение. В настоящее время можно привести большое число примеров, когда методы оптической обработки используются для данных, по своей природе не являющихся оптическими. Основная причина кроется в том, что математические операции, которые применяются для большинства оптических систем, часто используются также в системах связи. Оптический аналог весьма привлекателен, поскольку ему свойственно преимущество двумерного представления и параллельной обработки данных. Этот способ во все увеличивающейся степени внедряется в практику в связи с разработкой электронно-оптических устройств сопряжения в сочетании с ЭВМ. Когда по каким-то причинам оптические методы не употребляются, ЭВМ может применяться изолированно в целях использования тех же фундаментальных принципов для цифрового изображения и обработки. [c.84]

Процесс формирования изображения в такой схеме математически описывается с помощью двух последовательных преобразований Фурье, а физически является процессом двойной дифракции на апертурах линз Ла и Лв. В результате первой дифракции на апертуре линзы Лп в ее задней фокальной плоскости формируется фурье-образ двумерного когерентного оптического сигнала, сформированного в результате прохождения пло- [c.225]

Теория формирования оптического изображения. Простые правила, которые следуют из элементарной геометрической оптики, позволяют по отдельным геометрическим лучам построить изображение наблюдаемого удаленного объекта в фокальной плоскости приемного объектива. Однако эти правила не позволяют учесть возможное искажение изображения за счет взаимодействия оптической волны со средой между объектом и приемным объективом. Такая возможность обеспечивается только при использовании современной теории формирования оптического изображения [2],. сущность которой состоит в следующем. Если вместо функции взаимной когерентности (2.30) рассмотреть ее фурье-образ [c.72]

В первой модели делается акцент на общий характер дифракции (рассеяние) света от объекта, когда условия по крайней мере частично когерентны, и на способ сведения света для формирования изображения. Аспекты анализа Фурье, относящиеся к первой части этого вопроса, уже знакомы нам по гл. 3 и 4. В разд. 5.3 мы рассматриваем их снова на этот раз с учетом второго этапа формирования изображения. Эта модель первоначально была сформулирована (в основном качественно) в 1873 г. Э. Аббе [1], который занимался проблемами наблюдений периодических объектов под микроскопом. Как можно сказать, пользуясь современной терминологией, он выяснил, что при способах освещения, используемых обычно в оптической микроскопии, формирование изображения вовсе не является полностью некогерентным процессом, как иногда полагают в действительности в некоторых современных системах он может быть почти когерентным. [c.85]

Важность подхода с использованием этой модели состоит в ее чувствительности к процессу, при котором пространственные частоты структуры объекта (периодической и непериодической) выражаются дифрагированными волновыми фронтами и восстанавливаются для формирования изображения. Использование когерентного освещения позволяет воздействовать на дифракционную плоскость (плоскость пространственных частот) таким образом, что формирование изображения может управляться посредством фильтрации . Это один из аспектов оптической обработки, другие упомянуты в разд. 5.5. [c.85]

Вторая модель формирования изображения, которую мы рассматриваем в разд. 5.2, применима к условиям как когерентного, так и некогерентного освещения. И здесь Рэлей внес важный вклад [51], на этот раз под влиянием более ранних работ Эри и Гельмгольца. Модель представляет изображение как комбинацию картин Эри (или более сложных картин, если присутствуют аберрации), которые оптическая система должна создавать отдельно для света из каждой точки объекта. Если освещение некогерентно, то интенсивности картин Эри, определяемые всеми точками объекта, являются просто аддитивными. Если же оно когерентно, то присутствует интерференция и тогда изображение математически представляет собой комбинацию картин Эри с комплексными амплитудами, Рэлей рассматривал оба предельных случая. При пред- [c.85]

Последовательность а д рис, 5.6 иллюстрирует некоторые из основных положений, которые упоминались в связи с ролью дифракции на первой стадии формирования изображения в когерентном свете, В каждом примере представлены объектная маска и создаваемое ею оптическое преобразование. [c.97]

Физическую природу наблюдаемой зернистости нетрудно понять как при распространении света в свободном пространстве (рис. 7.10,6), так и при распространении его через систему формирования изображения (рис. 7.10, в), если рассмотреть случай, когда рабочие поверхности рассеивателей имеют очень большую шероховатость в масштабе оптических длин волн. При распространении в свободном пространстве результирующая оптическая волна в любой точке, находящейся на не слишком большом расстоянии от рассеивающей поверхности, состоит из многих когерентных компонент или элементарных волн, каждая из которых испускается со своего микроскопического элемента поверхности. Обратившись к рис. 7.10,6, заметим, что расстояния, пройденные этими различными волнами, могут отличаться на много длин волн. Интерференция сдвинутых по фазе, но когерентных элементарных волн приводит к зернистому распределению интенсивности (или спекл-картине, как ее называют). Если оптическое устройство представляет собой систему формирования изображения (рис. 7.10,в), то при объяснении наблю- [c.466]

Появление лазеров стимулировало развитие теории распространения световых пучков. В классической оптике [77] были подробнее всего изучены особенности формирования изображений при наличии аберраций, связанных как с большой светосилой применяемых устройств, так и со значительной шириной спектрального диапазона излучения. Для анализа процессов в лазерных резонаторах необходимо лишь знание законов преобразования волновых фронтов когерентных пучков. Кроме того, элементы резонатора обычно обладают небольшой оптической силой, лазерные же пучки имеют узкий спектр, малую расходимость и умеренные размеры сечения. Поэтому в лазерном резонаторе привычные для классической оптики аберрации практически отсутствуют в частности, здесь обычно стерта грань между сферической и параболической формами поверхностей оптических элементов. [c.7]

Заметим, что когерентные системы оптической обработки информации обладают рядом общих черт с некогерентными линзовыми системами формирования изображения и голографическими системами. В табл. 7.5.1 [c.254]

Во многих случаях использования когерентного света бывает необходимо рассмотреть сложение двух пучков света. Это имеет место главным образом в голографии, а также в интерферометрии, формировании изображений, оптической обработке информации и т. д. Пусть i1)i(a ) и 11)2(л ) — функции комплексных амплитуд двух рассматриваемых полей тогда результирующая (суммарная) функция комплексной амплитуды дается выражениями [c.42]

Эта аберрация вызывается тем, что материал линзы имеет различные коэ( ициенты преломления для разных оптических частот. В когерентных системах формирования изображения, включая голографию, такая аберрация несущественна, поскольку в этом случае для освещения используется монохроматический свет. Одним из исключений являются голографические оптические элементы (см, 10.8) и голографические дифракционные решетки. [c.66]

Чтобы узнать вклад точки Bg источника в распределение амплитуд на объекте, достаточно рассмотреть поверхность волны, вышедшей из точки Bs и дошедшей к началу координат О в момент времени =0. Если ас—-угол между лучами, вышедшими из точек и fis в точку О, то комплексная амплитуда в точке с координатами у, z будет точно такая же, какой бы она была, если бы точка В<, располагалась в точке В/, поскольку наклоны волновых поверхностей одинаковы. Отсюда заключаем, что этот случай может быть сведен к случаю, рассмотренному в 4. Участие промежуточной оптической системы в формировании изображения в зрачке не влияет на степень когерентности, которая остается равной преобразованию [c.138]

Книга известного американского физика О Нейла, основанная на курсе лекций автора для студентов-физиков и аспирантов Бостонского университета (США), посвящена новому направлению в оптике — анализу оптической системы с точки зрения теории связи как фильтра пространственных частот. Теория формирования изображения, в частности теория аберраций и дифракции, излагается на основе методов преобразования Фурье. Проблема структуры изображения и оценки его качества рассматривается с применением теории информации. На основе матричной теории анализируются свойства когерентного и частично когерентного излучения, а также вопросы частичной поляризации. Книга написана так, что она будет понятна и аспиранту-физику, и радиоинженеру. По содержанию она рассчитана на физиков и инженеров-конструкторов, занимающихся разработкой оптических и оптико-электронных систем, применяемых в фотографии, телевизионной технике, военном деле, приборостроении и т. д. Она может быть полезной для студентов старших курсов университетов и оптико-механических факультетов втузов, специализирующихся в вопросах вычислительной и физической оптики, а также для аспирантов и научных работников. [c.4]

При описании двухступенчатого процевса формирования когерентного оптического изображения было показано, что качество изображения определяется информацией, получаемой от объекта. В частности, оно зависит от того, насколько верно составляющий его спектр пространственных частот воспроизводит спектр объекта. Мы также видели, что спектр пространственных частот доступен в плоскости дифракции. Рис. 5.10 представляет пример, иллюстрирующий ухудшение качества изображения при удалении высоких частот, которое осуществлялось путем простого размещения в плоскости дифракции апертуры (фильтра низких частот), ограничивающей вклад в изображение частот выше определенного значения. [c.109]

Формирование и преобразование с помощью таких модуляторов двумерных массивов информации, представляемой в цифровой (бинарной) или аналогово форме, лежит в основе создания оптических запоминающих и периферийных устройств, когерентных оптических процессоров и других ваиснейших узлов информационных и вычислительных систем. функционалы ая роль пространственных модуляторов света в них весьма многогранна отображение информации (дисплеи, в том числе проекционные), ввод-вывод, формирование и преобразование массивов оптических сигналов, реализация логических операций, регистрация пространственного распределения оптических сигналов, визуализация изображений, кодирование и опознавание, преобразование по амплитуде и фазе, частоте, по когерентности несущей, усиление яркости изобраи ений, персстрапвлемая фильтрация, обработка изображений и др. [c.9]

Книга содержит полезные сведения о различных преобразованиях, выполняемых в линейных системах свертках, преобразованиях Фурье и Ханкеля. Много внимания уделено применению теории преобразований в оптике. Рассмотрены дифракционные поля в приближении физической оптики на отверстиях, освещенных сферической и плоской волной при различной степени когерентности излучения. Описаи дифракционный процесс формирования оптического изображения конечной линзой. Многочисленные примеры помогают освоить аппарат. Изложены принципы, на которых основано объяснение процес сов когерентной оптики голографии, оптической фильтрации, аподизации и г. д. [c.271]

ОПТИКА [ асферическая содержит элементы, поверхности которых, не имеют сферической формы просветленная обладает уменьшенными коэффициентами отражения света у отдельных ее элементов путем нанесения на них специальных покрытий) как оптическая система (волновая изучает явления, в которых проявляется волновая природа света волоконная рассматривает передачу света и изображений по световодам и пучкам гибких оптических волокон геометрическая изучает законы распространения света в прозрачных средах на основе представлений о световых лучах интегральная изучает методы создания и объединения оптических и оптоэлектронных элементов, предназначенных для управления световыми потоками квантовая изучает явления, в которых при взаимодействии света и вещества существенны квантовые свойства света и атомов вещества когерентная изучает методы создания узконаправленных когерентных пучков света и управления ими нелинейная изучает распространение мощных световых пучков в оптически нелинейных средах (твердые тела, жидкости, газы) и их взаимодействие с веществом силовая изучает воздействие на твердые тела интенсивного светового излучения, в результате которого может нарушаться механическая цельность этих тел статистическая изучает статистические свойства световых полей и особенности их взаимодействия с веществом тонких слоев изучает прохождение света через прозрачные слои вещества, толщина которых соизмерима с длиной световой волны физическая изучает природу света и световых явлений) как раздел оптики электронная занимается вопросами формирования, фокусировки и отклонения пучков электронов и получения с их помощью изображений под воздействием электрических и магнитных полей корпускулярная изучает законы движения заряженных частиц в электрическом и магнитном полях нейтронная изучае взаимодейс вие медленных нейтронов со средой) как раздел физики] [c.255]

Схема оптического дифрактометра для демонстрации и использования принципов, описанных ранее, показана в упрощенном виде на рис. 5.5. Обычно используется гелий-неоновый лазер с расщирителем пучка для обеспечения освещенности с почти идеальной когерентностью (временной и пространственной) по всему плоскому волновому фронту в положении О, где расположены объектные маски. Дифракционная картина (преобразование Фурье), создаваемая маской в положении О, формируется в фокальной плоскости D объектива Lj, а изображение (двойное преобразование) от О формируется на плоскости I. На практике для получения дифракционных картин приемлемого размера L, должен быть длиннофокусной линзой или соответствующей эквивалентной системой (например, комбинация фотографии и телевидения). Вторая линза Lj (ее положение обозначено на рисунке пунктирной линией) нужна для формирования действительного изображения на приемлемом расстоянии от объектной маски. [c.96]

Образование изображения в когерентном свете можно рассматривать как результат интерференции волн, дифрагировавших на объекте и сведенных с помощью линзовой системы в определенной плоскости — плоскости изображения. Тогда для формирования изображения синусоидальной одномерной решетки с помощью какой-либо линзовой системы необходимо иметь достаточно большую апертуру линзовой системы, чтобы дифрагировавшие пучки -Ь1 и —1-го порядков, попадая в апертуру, отклонялись соответствующим образом, и, интерферируя, давали изображение решетки. Зная угол дифракции, нетрудно показать, что размер апертуры оптической системы D = 2kvz, где z — расстояние от решетки до главной плоскости линзы. Таким образом, описание объекта с помощью пространственной частоты позволяет просто оценить, например, требуемую апертуру объектива. [c.19]

В нашем зксперименте излучение, соответствующее различным поперечным модам, равномерно распределено по пространству, и с помощью оптической системы формирования изображения из него вьщелен относительно узкий пучок. Эта ситуация зквивалентна наличию одной поперечной моды с богатым набором продольных. Позтому стабильная интерференционная картина существует во всей зоне суперпозиции опорной и объектной волн в силу вьшолнения условия пространственной когерентности - любые произвольно выбранные области зтих пучков взаимно скоррелированы. На основании такого предположения и записано выражение (3.14) для амплитуды объектной волны диффузно рассеянного многомодового излучения. Следовательно, вместо степени когерентности I7i2(r)l в зтом-случае можно рассматривать степень временной когерентности 1мт( ) I воспользоваться приведенным, например, в [74] выражением для видности интерференционных полос [c.54]

Мацумура 44] сообщил, что, используя случайные сдвиги фазы, можно также существенно уменьшить макрозернистость, обусловленную царапинами и пылью на линзах, и, кроме того, ослабить интерференционные полосы, вызванные светом, отраженным от оптических поверхностей. Этот спекл-шум представляет собой одну из важнейших проблем, связанных с шумом в когерентных системах формирования изображения. Можно получить восстановленное изображение с высокой эффективностью и высоким отношением сигнал/шум, задавая в пространстве случайное распределение фазы в проходящем свете. Это связано с тем, что свет, дифрагировавший от объекта, освещенного через фазосдвигающую пластинку, распределяется равномерно по регистрирующей среде. Это позволяет максимально использовать динамический диапазон регистрирующей среды. [c.367]

В связи с тем, что оптические сигналы, отображающие коррелирующие функции в плоскостях Pia И Pjb, не могут быть отрицательными, знакопеременные коррелирующие функции необходимо записывать с использованием некоторого постоянного уровня смещения. Этот уровень смещения удаляется затем с помощью режекторного фильтра постоянной составляющей, устанавливаемого в частотной плоскости Рз коррелятора. Хотя описываемый коррелятор долгое время использовался с применением записи входных данных на ютопленке в плоскости Pia и синхронизируемой лентопротяжки в плоскости Pjb, однако необходимость в механическом перемещении фотопленки ограничивает быстродействие и точность данного коррелятора. Поскольку этот коррелятор в основном является системой формирования изображения, требования к точности установки его элементов, а также требования к степени когерентности используемого излучения существенно ниже, чем в корреляторе с частотной плоскостью. Схема описанного коррелятора представляет большой интерес, поскольку в нем для управления с высокой точностью перемещением одного сигнала относительно другого можно применять акустооптические ячейки (что с успехом и применялось в плоскости Pi ). В следующем разделе мы обсудим этот и другие типы акустооптических корреляторов. Акустооптические корреляторы имеют такие преимущества, как быстродействие и широкая полоса пропускания, но их можно использовать лишь для обработки одномерных сигналов. [c.573]

Гл. 7 посвящена теории формирования изображения в частично когерентном свете. Излагаются некоторые аналитические подходы к задаче. В этой главе также вводится и используется для понимания характера оптических систем, формирующих изображение, щироко применяемое в радиоастрономии понятие ин-терферометрического формирования изображения. Рассматривается также вопрос о восстановлении фазы. [c.16]

Это — очень важное обстоятельство с точки зрения формирования изображения. Наше представление об оптических системах при когерентном и некогерептном излучении как о фильтрах пространственных частот основано на линейном преобразовании фурье-составляющих между плоскостями объекта и изображения. При частично когерентном излучении фурье-составляющие структуры объекта оказываются перепутанными [7 ] и входят в формулу изображения нелинейно. Правда, эти составляющие всегда можно распутать , если позаботиться об этом, но более желательно сохранить линейную связь величин Г ху, х , т) между плоскостями объекта и изображения и затем перейти к пределам. [c.184]

Оптическая модель основана на теории формирования изображения в частично когерентном свете. Основной алгоритм относится только к одномерным периодическим объектам и круговой апертуре. С помощью этого алгоритма могут быть эффективно смоделированы периодически чередующиеся линии и интервалы, а также отдельные линии и интервалы. Этот алгоритм позволяет находить распределение интенсивности изображения путем усреднения суммы произведений фурье-гармоник оптического пропускания объекта. Коэффициенты корреляции различных фурье-гармоник вычисляются из функции зрачка для данной степени когерентности а и расфокусировки В программе SAMPLE для расчета интегралов типа свертки используется комбинация аналитических и численных методов интегрирования [12.7]. Пользователь задает структуру изображения (щи-рину линий и интервалов), длину волны, числовую апертуру и степень когерентности, погрешность фокусировки и размер окна изображения. Характерное время расчета составляет несколько секунд для ЭВМ VAX 11/780 при использовании операционной системы UNIX с компилятором /77. [c.324]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...