СИСТЕМА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ГОЛОГРАММ

SYSTEM FOR REGISTRATION AND RECOVERY OF DIGITAL HOLOGRAMS

Vladimir Guzhov

professor of Novosibirsk State Technical University,

Russia, Novosibirsk

Evgeny Prokhorenko

associate professor of Novosibirsk State Technical University,

Russia, Novosibirsk

Ilya Marchenko

associate professor of Novosibirsk State Technical University,

Russia, Novosibirsk

Ekaterina Serebryakova

рostgraduate of Novosibirsk State Technical University,

Russia, Novosibirsk

АННОТАЦИЯ

В работе представлена простая оптическая система для регистрации и восстановлений цифровых голограмм без регистрации на фотопластинке. С помощью пошагового фазового сдвига (PSI) в плоскости фотоматрицы камеры, определяется амплитуда и фаза математической голограммы. Для восстановления изображения используется преобразование Френеля с параметрами зависящими от конкретных характеристик оптической установки. Показано, что изображение восстанавливается с достаточным качеством без регистрации на фотоматериалы.

ABSTRACT

The paper presents a simple optical system for registration and recovery digital holograms without registration on a photographic plate. With the help of a step-by-step phase shift (PSI) in the plane of the camera's photomatrix, the amplitude and phase of the mathematical hologram are determined. To restore the image, a Fresnel transformation with parameters depending on the specific characteristics of the optical installation is used. It is shown that the image is restored with sufficient quality without registration on the photos.

Ключевые слова: голография; интерферометрия; цифровая голография; пошаговый фазовый сдвиг.

Keywords: holography; interferometry; digital holography; phase shift interferometry.

При регистрации цифровых голограмм использовалась оптическая схема, показанная на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема записи цифровой голограммы (1 –лазер; 2 - объект, 3 - – расширитель пучка, 4 - светофильтр для выравнивания уровня интенсивности, 5 - опорное зеркало закрепленное на пьезокерамике, 6 – зеркало для юстировки установки; 7 – делитель светового пучка; 8 – диафрагма; 9 – камера)

Интерференция опорного и объектного пучков и формирование голограмм происходит на матрице фотокамеры (9).

На рисунке 2 показана фотография голографической установки. Обозначения элементов совпадают с обозначениями на рис.1.

Рисунок 2. Голографическая установка

При формировании цифровой голограммы необходимо, во-первых, обезопасить установку от внешних вибраций, поскольку это препятствует формированию устойчивой интерференции. Для этого используется антивибрационный стол. Во-вторых, в зоне интерференции влияние постороннего освещения должно быть минимально, камера должна фиксировать только интерференцию монохроматического когерентного света лазера. Для этого эксперимент должен проводиться без освещения естественными или искусственными источниками света. В-третьих, интенсивность света, отраженного от объекта, должна примерно совпадать с интенсивностью опорного пучка. В противном случае произойдет перекрытие по яркости одного пучка другим, что не позволит корректно сформировать голограмму. В-четвёртых, камера должна фиксировать только интерференционную картину. Для этого над оптическим кубом размещают специальный щит, препятствующий попаданию прямых лучей света от объекта на матрицу цифровой камеры.

В качестве объекта использовался юбилейный серебряный значок с эмблемой университета (рис. 3).

Рисунок 3. Объект для записи голограммы

На рисунке 4 показаны результаты интерференции между опорным и объектным пучками при изменения фазового угла сдвига .

Рисунок 4. Интерференционные картины при изменения фазового угла сдвига .

По эти картинам определялась фазовое распределение и амплитуда по полю по выражениям приведенным в [1-3]. Затем формировалась математическая голограмма с помощью следующего выражения

,                                                          (1)

где - амплитуда поля,  фаза поля, распространенного от объекта в плоскости голограммы. Если удастся найти математическую голограмму , то в плоскости изображения можно восстановить комплексную амплитуду поля рассеянного от объекта.

На рисунке 5 показаны амплитуда и фаза математической голограммы.

Рисунок 5. Амплитуда и фаза математической голограммы

Действительное изображение восстанавливалось по математической голограмме с помощью преобразования Френеля [4-6].

Размер объекта - 7 мм, расстояние до объекта - 135 мм. Результат восстановления показан на рисунке 7.

Рисунок 7. Результат восстановления действительного изображения из математической голограммы

Шумы на рисунке 7 вызваны отклонением опорного пучка от плоского. Повышением качества оптических элементов этот фактор можно устранить.

Таким образом представленная система позволяет восстанавливать изображения при регистрации цифровых голограмм с помощью фотокамеры без регистрации на фотоматериалы.

Список литературы:

1. Гужов В.И., Ильиных С.П. Новый метод анализа интерферограмм с произвольно заданными пошаговыми фазовыми сдвигами// Автометрия.-2002.- №2. -С.72-79. (То же в: Guzhov V.I., Il'inykh S.P. GENERALIZED DECIPHERING ALGORITHM FOR INTERFEROGRAMS WITH STEP-BY-STEP SHIFT //Il'inykh S.P., Guzhov V.I.// Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing.-2002.-No.2)
2. Гужов В.И., Ильиных С.П., Хайбулин С.В. / Восстановление фазовой информации на основе методов пошагового фазового сдвига при малых углах между интерферирующими пучками // Автометрия. - 2017. - Т. 53, №3. - С. 101-106. (То же в: Guzhov V.I. Phase information recovery based on the methods of phase shifting interferometry with small angles between interfering beams / V.I. Guzhov, S.P. Il’Inykh, S.V. Khaibullin // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 2017. - Vol. 53, iss. 3. - P. 288-293. - DOI: 10.3103/S875669901703013X)
3. Ильиных С. П., Гужов В. И., Кафидова Н.Е., Бочаров Д.Д. Робастный алгоритм расшифровки интерферограмм // Автометрия.-2005.- № 3.-T 41.-C 122-125( То же в: S.P.Ilinykh, V.I.Guzhov, E.V.Kartavykh Systematic Error Correction in Determining the Total Phase in Integer Interferometry // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing.-2008.-Vol.44/-No.6. pp. 96-102)
4. Ярославский Л.П., Мерзляков Н.С. Цифровая голография.- М.: Наука.- 1982.- 219 с.
5. Представление преобразования Френеля в дискретном виде. / Гужов В.И., Несин Р.Б., Емельянов В.А. // Автоматика и программная инженерия, Новосибирск , – 2016.-№1(15) – С. 91–96  Presentation of Fresnel Transform in the Discrete Form / V.I. Guzhov, R.B. Nesin, V.A. Emelyanov // Automatics & Software Enginery, Novosibirsk, - 2016.- No.1(15) , p.91-96
6. Гужов В.И. Математические методы цифровой голографии.: Учеб.пособие.- Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2017.-80с.