Голографическая регистрация частиц, находящихся в жидкости тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

УДК 535:778.38

На правах рукописи

Макаров Андрей Вадимович

Голографическая регистрация частиц, находящихся в жидкости

Специальность 01.04.05 - оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0<

Томск-2006

Работа выполнена на кафедре оптико-электронных систем и дистанционного зондирования в Томском государственном университете.

Ведущая организация: Институт оптики атмосферы СО РАН.

Защита состоится 20 декабря 2006 г. в 930 на заседании диссертационного совета Д 212.268.04 в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники, 634050 г. Томск, пр. Ленина, 40, ауд. 230.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, доцент Демин Виктор Валентинович.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Малов Александр Николаевич.

доктор физико-математических наук, профессор Шандаров Владимир Михайлович.

Автореферат разослан

2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

.П. Акулиничев

Актуальность и состояние вопроса

Задача регистрации объемных ансамблей частиц актуальна в различных областях науки и техники (оптике атмосферного аэрозоля, экологии, биологии и т.д.)- Минимальное возмущение исследуемого ансамбля частиц, высокое разрешение и глубина сцены, обеспечиваемые голографическими методами, а также возможность получения информации обо всем исследуемом объеме за одну экспозицию обусловило их применение при решении широкого класса задач [1 - 9], таких как измерение размеров частиц, определения их формы, концентрации в исследуемом объеме в лабораторных и натурных условиях [1 — 8], изучение процесса взаимодействия лазерного излучения с аэрозолем, исследование планктона в водной среде [I — 4] и т.п. При этом в последней задаче, например, получаемая с помощью голографических методов информация о форме планктонных частиц обеспечивает их идентификацию и в совокупности с данными о размерах и распределении планктона в пространстве позволяет судить об экологическом состоянии исследуемого района. Методы голограмметрии были успешно применены для изучения распространения планктона в водной среде (Foster, Watson, Hobson и др., 1997 г. [2]). Известны эксперименты по измерению скорости частицы с помощью голографических методов (Barnhart и Adrian, 1994 [6]; Meng и Hussain, 1995 [7]; Zhang и др., 1997 г. [8]).

Подводное голографирование — это метод, включающий голографическую регистрацию частиц, находящихся в воде (в натурных условиях), с помощью погружаемых голографических камер [1 -- 4] и последующее восстановление голографических изображений в лабораторных условиях. Затем восстановленное голографическое изображение зарегистрированного объема исследуется по сечениям. В 1984 г. Malkiel, Katz и др. [1] разработали первую подводную голографическую систему, использующую импульсный рубиновый лазер, и применили её для измерения концентраций и размеров частиц в водах острова Catalina, Канада. Позднее Watson, Hobson и др. [3, 4] с помощью погружаемой голографической камеры «HOLOCAM» провели серию экспериментов, результаты которых внесли большой вклад в развитие голографических методов подводной регистрации.

Одной из особенностей метода подводной голографической регистрации [3, 4] является наличие в восстановленных изображениях оптических искажений, обусловленных тем, что на

этапе записи в натурных условиях предметное излучение проходит путь от частицы (находящейся в воде) сквозь стекло иллюминатора к регистратору (расположенному в воздухе), а на этапе восстановления в лаборатории вода и иллюминатор отсутствуют [4]. В работах [4, 9] предложены и экспериментально апробированы соответственно аппаратный и численный методы компенсации оптических искажений, которые могут быть реализованы на этапе восстановления голограмм. Каждый из этих методов имеет свои особенности и область применения, тем не менее, использование в погружаемой топографической . камере оптической схемы, позволяющей минимизировать возникающие искажения непосредственно на этапе регистрации голограмм, позволило бы упростить данную задачу.

В одной из двух погружаемых голографических камер, действующих в мире на сегодняшний день, используется внеосевая оптическая схема с освещением исследуемого объема на отражение, позволяющая получать информацию об исследуемых объектах в широком диапазоне углов [3, 4]. Это позволяет более детально исследовать отдельные частицы, но требует большой энергии источника излучения. При этом увеличиваются размеры погружаемой камеры и ее вес. В то же время информация, получаемая при помощи этой камеры, в большинстве задач является избыточной. Действительно, чаще всего необходима информация о концентрации, размерах и взаимном расположении частиц, которая может быть получена без обеспечения большого угла обзора частицы. Поэтому в большинстве случаев достаточно использовать, более простые схемы, достаточные для детектирования и идентификации ансамблей подводных частиц, при этом погружаемые голографические аппараты будут иметь меньшие весогабаритные характеристики.

Во второй из действующих в настоящее время погружаемых голографических камер реализована осевая геометрия записи, при которой накладывается ограничение на концентрацию частиц в исследуемом объеме [1].

На сегодняшний день существуют и успешно применяются методы определения геометрических параметров (размера, формы, расположения в пространстве) частиц по их голографическим изображениям. В случае геометрически правильных прозрачных частиц (сфера, цилиндр) разработан метод определения их показателя преломления по голографическим изображениям [9],

однако способы определения оптических параметров частиц произвольной формы еще не предложены. Возможность определения показателя преломления частиц произвольной формы с помощью голографических методов расширит их информативность и позволит бесконтактно исследовать оптические свойства частиц исследуемого объема.

Цель работы

Разработка методов голографической регистрации частиц, находящихся в водной среде, и извлечения информации с записанных голограмм о геометрических и оптических параметрах исследуемых частиц.

Основные задачи

1. Голографическая регистрация частиц, находящихся в воде, с помощью внеосевой голографической схемы с нормальным падением предметного пучка на фотопластину, в которой освещение исследуемого объема производится на просвет, для выяснения возможностей снижения оптических искажений, обусловленных различными значениями показателей преломления сред, в которых находился исследуемый объект и его восстановленное изображение.

2. Разработка и экспериментальная апробация метода определения показателя преломления выпуклых прозрачных частиц произвольной формы по их голографическим изображениям.

3. Разработка голографической схемы имитатора погружаемой голографической камеры, которая может применяться в погружаемом голографическом аппарате, обладающем меньшими весогабаритным и характеристиками по сравнению с существующими аналогами. Проведение экспериментов с помощью имитатора погружаемой голографической камеры по голографической регистрации модельных объектов для определения разрешения и глубины сцены, обеспечиваемых используемой оптической схемой.

Научная новизна

1. Показано, что использование для регистрации частиц, находящихся в жидкости, внеосевой схемы с нормальным падением предметного пучка на плоскость регистрации голограммы, в случае, когда освещение исследуемого объема производится на просвет,

позволяет снизить оптические искажения, присутствующие в восстановленных голографииеских изображениях, обусловленные различными значениями показателей преломления сред, в которых находилась исследуемая частица и ее восстановленное изображение.

2. Разработан и экспериментально апробирован метод определения показателя преломления выпуклых прозрачных частиц произвольной формы по их голографическим изображениям.

3. Разработана и экспериментально апробирована внеосевая схема имитатора погружаемой голографической камеры, в которой регистрация исследуемого объема производится на просвет с нормальным падением предметного пучка . на плоскость регистратора.

4. Апробирован метод повышения контраста действительных голографических изображений на этапе их восстановления с помощью фильтрации пространственных частот. Экспериментально показано, что фильтрация пространственных частот на этапе восстановления голографических изображений позволяет повысить их контраст ,7 раза.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Внеосевая голографическая схема, в которой освещение исследуемого объема осуществляется на просвет, а предметный пучок падает на плоскость регистрации голограммы нормально, за счет малости углов падения предметных лучей позволяет пренебречь оптическими искажениями восстанавливаемых голографических изображений, обусловленными различными значениями показателей преломления сред, в которых находился исследуемый объект и его восстановленное изображение. Искажения действительных изображений голографируемых частиц находятся в диапазоне от 2 % до 10 % в зависимости от формы частиц.

2. Предложенный метод, основанный на геометрическом построении хода лучей в восстановленном голографическом изображении, позволяет определять показатель преломления выпуклых прозрачных частиц произвольной формы с точностью, близкой к точности экспериментальных измерений.

3. Реализованная в имитаторе погружаемой голографической камеры внеосевая оптическая схема с переносом изображения, регистрацией исследуемого объема на просвет и нормальным падением предметного пучка на плоскость регистрации

голограммы, позволяет разрешать объекты размером более 100 мкм, при этом регистрируемый объем составляет около 1 л (при длине объема 500 мм).

Методы исследования

Для решения поставленных задач проводились экспериментальные исследования в лабораторных условиях. При разработке метода определения показателя преломления выпуклых прозрачных частиц произвольной формы по их голографическим изображениям использовались методы геометрической оптики, а при его реализации - аппарат аналитической геометрии и численные методы. Обработка результатов измерений и расчетов производилась с помощью методов математической статистики.

Достоверность результатов и выводов работы обеспечивается повторяемостью полученных экспериментальных данных, их согласием с имеющимися результатами экспериментальных исследований других авторов.

Научная ценность и практическая значимость

Экспериментальные результаты, полученные в настоящей работе, развивают существующее представление об эффектах, связанных с регистрацией и восстановлением голографических изображений в области подводной голографии ансамблей частиц.

Применение разработанной и апробированной в работе оптической схемы, преимущественно за счет использования в ней источника излучения с меньшей энергией импульса (30 мДж), позволяет обеспечить меньшие, по сравнению с зарубежными аналогами, весогабаритные характеристики погружаемого голографического аппарата.

Экспериментально подтверждена практическая эффективность повышения контраста голографических изображений объемных ансамблей частиц, находящихся на этапе регистрации в жидкости, методом фильтрации пространственных частот на этапе восстановления.

Предложенный в данной работе метод определения показателя преломления выпуклых прозрачных частиц произвольной формы по их голографическому изображению увеличивает информативность голографических методов и позволяет бесконтактно исследовать оптические свойства исследуемых частиц.

Результаты работы внедрены и используются в ФГУДП «НИПИокеангеофизика» (ГНЦ ФГУГП «Южморгеология», г. Геленджик), в Лимнологическом институте СО РАН (г. Иркутск), а также используются в учебном процессе в Томском государственном университете (г. Томск). В приложении приведены акты об использовании результатов работы.

Публикации и апробация работы

По материалам выполненных исследований вышли 20 публикаций, из них 2 статьи опубликованы в журнале «Оптика атмосферы и океана», 2 статьи — в журнале «Известия высших учебных заведений. Физика», остальные — в Трудах и Тезисах конференций. Результаты докладывались на Международных конференциях: VIII, XII Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана» (Иркутск 2001; Томск 2005); VII Международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков» (Москва, 2003); 3-я и 4-я Международная школа молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды» (Томск 2002, 2004); III Международная конференция «Фундаментальные проблемы физики» (Казань 2005); а также на Всероссийских конференциях: «Физика радиоволн» (Томск 2002), 9-я, 11-я «Всероссийская конференция студентов-физиков и молодых ученых» (Красноярск 2003, Екатеринбург 2005); V, VI Российская школа-семинар молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития» (Томск 2004, 2005); 1-я, 2-я «Конференция студенческого научно-исследовательского инкубатора» (Томск 2005, 2006); ICOTopical Meeting on Optoinformatics/Information Photonics (St. Petersburg, 2006).

Вклад автора

Автор работы принимал прямое участие в проведении экспериментальных исследований, теоретическом обосновании и численной реализации метода определения показателя преломления выпуклых прозрачных частиц произвольной формы по их голографическим изображениям, а также в обработке и интерпретации полученных данных. Большинство экспериментов, оценок и расчетов выполнено автором лично.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю — кандидату физико-математических наук

В.В. Демину за постановку задачи, формирование научного мировоззрения, внимание и поддержку, оказанные в ходе работы над диссертацией. Автор признателен своим соавторам и коллегам по работе, работа с которыми способствовала успешному достижению поставленной целй.

Работа выполнялась в период с 2001 по 2006 год на базе Томского государственного университета.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается актуальность, определяется тематика и формулируется цель работы, кратко излагаются основные задачи исследования и результаты, выносимые на защиту.

Первая глава представляет собой литературный обзор. Рассматриваются основные принципы голографии. Приведен обзор голографических схем. Обсуждаются возможности оптических схем для голографической регистрации, с учетом использования в качестве регистраторов как фотоэмульсий, так и ПЗС-матриц.

Анализируется существующий метод определения показателя преломления частиц правильной формы (сфера, цилиндр) по их голографическим изображениям.

Приведен краткий обзор характеристик и особенностей действующих погружаемых голографических камер и экспериментальные данные, полученные в ходе их погружений.

Обсуждены целесообразность и пути повышения контраста голографических изображений при голографической регистрации частиц, находящихся в жидкости.

Рассмотрены искажения восстановленных изображений, обусловленные различными значениями показателей преломления сред, в которых находится исследуемый объект и его восстановленное изображение. Проанализированы способы их компенсации на этапе восстановления, как аппаратным путем, так и расчетным (последний случай подтвержден в данной работе экспериментально).

В заключение главы поставлены задачи исследования.

Во второй главе работы числено и экспериментально исследуется внеосевая голографическая схема с регистрацией исследуемого объема на просвет при нормальном падении предметного пучка на плоскость регистратора.

С помощью САПР «ПРИЗМА» выполнены численные оценки аберраций системы «вода — стекло — воздух». При этом голограмма представлялась в виде зеркала, что позволило объединить анализ этапов записи и восстановления. Результаты оценок согласуются с экспериментальными данными [4] и показывают, что значения указанных аберраций минимальны при нормальном падении предметного пучка на плоскость регистратора, что может быть реализовано во внеосевой голографической схеме, в которой регистрация исследуемого объема производится на просвет.

Далее, с помощью лабораторного стенда, созданного в данной работе, были проведены экспериментальные исследования внеосевой голографической схемы с переносом изображения, в которой регистрация исследуемого объема производится на просвет при нормальном падении предметного пучка на плоскость регистратора (рис. 1).

В ходе эксперимента были зарегистрированы модельные плоские непрозрачные частицы правильных форм (круг, квадрат, прямоугольник, шестиугольник и т.п.), находящиеся на этапе регистрации как в воздухе, так и в воде, на различных расстояниях от выходного окна кюветы 6. Модельные частицы выполнены на стекле методом фотолитографии, размер стороны квадрата, треугольника, шестиугольника, меньшей стороны прямоугольника, диаметр круга равен 100 мкм. Поскольку существует зависимость длины волны лазерного излучения от показателя преломления среды, в которой оно распространяется, то с голограммы, находившейся в воде с показателем преломления nw, запись которой осуществлялась на длине волны А.а, возможно восстановление изображения с минимальными аберрациями в воздухе (па) на длине волны Хс, являющейся эквивалентной эффективной длине волны света в воде то есть: [4]. При этом искажения

зависят от толщины иллюминатора (окна кюветы), величины воздушного промежутка между окном и фотопластиной, но наибольшее влияние оказывает угол между предметными лучами и фотопластиной. Чтобы показать, что при использовании внеосевой голографической схемы с регистрацией исследуемых частиц на просвет, при нормальном падении предметного пучка на плоскость регистратора, оптические аберрации минимальны, производилась запись голограмм частиц, находящихся как в воздухе, так и в воде, на различных расстояниях от выходного окна кюветы в зеленом свете (^.=0,53 мкм), а их восстановление осуществлялось с

использованием излучения «не благоприятных» длин волн: Х=0,63 мкм и Х=0,54 мкм поочередно. Результаты эксперимента представлены в таблице 1.

Рис. 1. Оптическая схема лабораторного стенда с использованием внеосевой топографической схеме для подводной голографии: 1 — ИАГ лазер (А.=0,53 мкм, длительность импульса 30 не, энергия 30 мДж); 2 — удвоитель частоты; 3 — коллиматор; 4 — поворотные зеркала; 5 — светоделитель; 6 — кювета, имитирующая исследуемый объем; 7, 8 — объективы системы переноса изображения (£/ = 234 мм, = 195 мм); 9 — фотопластина

Для того, что бы можно было сравнивать эти изображения не только визуально, но и количественно, восстановленные изображения нормировались по эталону (цифровой фотографии модельных частиц), далее, с помощью ЭВМ в полуавтоматическом режиме, выделялись границы исследуемых объектов и подсчитывалась их площадь в пикселях. Различия площадей изображений модельных, частиц соответствующей формы, записанных в разных условиях (находящихся в воде или в воздухе) и восстановленных на различных длинах волн приняты за параметр, характеризующий искажения оптической схемы. В ходе эксперимента было обработано более 100 изображений модельных объектов различных форм. Данные, усредненные по результатам 25

измерений для исследуемых объектов прямоугольной формы, представлены на рис. 2.

Таблица 1

Фотографии действительных голографических изображений модельных объектов с меньшей стороной 100 мкм, находящихся на этапе регистрации (Х=0,53 мкм) в воздухе или в воде

Анализ экспериментальных данных показывает, что различие между площадями модельных объектов различных форм, которые на этапе записи располагались в воздухе и воде, а восстанавливались в зеленом и красном свете, составляет от 2 % до 10 %, т.е. аберрациями, присутствующими в восстановленных голографических изображениях, можно пренебречь.

Прямоугольник

400

Ч 250

I

350

300

□ 50 мм, воздух, 0,54 мкм ■ 50 мм, воздух, 0,63 мкм

□ 50 мм, вода, 0,54 мкм

□ 50 мм, вода, 0,63 мкм

■ 250 мм, воздух, 0,54 мкм ,

I

200

100

150

□ 250 мм, воздух, 0,63 мкм

■ 250 мм, вода, 0,54 мкм

□ 250 мм, вода, 0,63 мкм

■ 380 мм, вода, 0,54 мкм В380 мм, вода, 0,63 мкм

50

0

Рис. 2. Результаты эксперимента: площади голографических изображений прямоугольников с меньшей стороной ЮОмкм, нанесенных на стеклянную подложку, находившихся на этапе регистрации в воздухе или в воде на различных расстояниях от выходного окна кюветы, восстановленных в зеленом и красшм свете

В третьей главе описывается предлагаемый в данной работе метод определения показателя преломления выпуклых прозрачных частиц произвольной формы по их голографическим изображениям. Общий вид задачи представлен на рис. 3. На этапе голографической регистрации плоская волна освещает выпуклую прозрачную частицу произвольной формы, находящуюся в среде с показателем преломления г»4. Предполагается, что для определения формы частицы используется многоракурсная регистрация голограммы. Тогда можно считать, что исходными данными для метода являются: форма частицы и показатель преломления среды П|.

В области за голографическим изображением частицы установим лупу с известными параметрами. В соответствующей плоскости будем наблюдать сфокусированное изображение произвольно выбранного фрагмента исследуемого объекта (точка В'). А в другой плоскости — тот же фрагмент, но чуть расфокусированный (точка В"). Соединив эти точки прямой В'В" — получим луч, преломленный лупой, вышедший из исследуемого

объекта. Далее, придерживаясь законов геометрической оптики, восстанавливаем ход луча до точки В.

Затем, зная п15 форму частицы, направление распространения параллельного лазерного пучка, освещающего объект, а также, определив выше угол <34 и, подставляя различные значения показателя преломления п2 в закон преломления Снеллиуса сначала для одной границы раздела сред, а потом — для другой, восстанавливаем ход луча в обратном ходе через частицу. Когда луч выйдет из частицы в нужном направлении, перебор прекращаем и то значение п2, при котором это условие выполняется, будет являться искомым показателем преломления исследуемого объекта.

Рис. 3. К алгоритму определения показателя преломления частицы по ее голографическому изображению

Для экспериментальной апробации метода были записаны голограммы стеклянного сферического объекта. На этапе восстановления голограмм производились соответствующие измерения. Численно метод был реализован с помощью Borland Delphi. Среднее значение показателя преломления, полученное с помощью метода, предложенного и апробированного в данной работе, составляет 1,46 ±0,22. Погрешность метода обусловлена, в основном, классом точности измерительного инструмента. Среднее

значение показателя преломления исследуемой частицы, определенное экспериментально с помощью метода, описанного в работе [9], составляет 1,49 ±0,14.

В четвертой главе приведены результаты проведенных в данной работе экспериментов по повышению контраста голографических изображений с помощью фильтрации пространственных частот, проводимой на этапе восстановления голограмм. Оценка контраста изображений осуществлялась не только визуально, но и с помощью численных методов. Для этого в соответствующих изображениях в системе RGB проводились измерения составляющих интенсивности для объекта и фона. Результаты проведенного эксперимента показывают, что фильтрация пространственных частот на этапе восстановления голографических изображений позволяет повысить их контраст (отношение объекта к фону) в -1,7 раза.

На основании оптической схемы (рис. 1) был создан имитатор голографической камеры, который моделирует основные модули будущего погружаемого аппарата, но имеет менее прочный каркас. Общий вид имитатора приведен на рис. 4. Конструктивно имитатор состоит из двух цилиндрических отсеков различного диаметра. В первом — располагается источник излучения, во втором — оптические элементы, предназначенные для формирования предметного и опорного пучков. Выносные штанги, смонтированные на отсеке большего диаметра, содержат в себе, коллиматор и систему переноса голографического изображения. Стеклянная кювета с водой имитирует исследуемый объем. В качестве источника излучения используется ИАГ лазер с удвоением частоты, длина волны 0,53 мкм, длительность импульса 30 не, энергия импульса 30 мДж.

Для экспериментальной оценки разрешения и глубины сцены оптической схемы использовались те же модельные частицы, что и во главе 2. На рис. 5 представлены фотографии восстановленных действительных изображений модельных объектов, располагавшихся на этапе регистрации в воздухе или в воде на различных расстояниях от выходного окна кюветы (50, 250, 380, 480 мм).

Рис. 4. Фотография имитатора погружаемой голографической камеры

Рис. 5. Фотографии восстановленных действительных изображений модельных объектов, располагавшихся на этапе регистрации в воздухе или в воде на различных

расстояниях от выходного окна кюветы: а - 50 мм от выходного окна кюветы в воздухе; 6 — 250 мм от выходного окна кюветы в воде; в — 380 мм от выходного окна кюветы в воздухе; г — 480 мм от выходного окна кюветы в воде

Также в данной главе представлены фотографии восстановленных действительных голографических изображений живых организмов и планктонных частиц оз. Байкал, находящихся в воде, зарегистрированных с помощью имитатора погружаемой голографической камеры.

Завершает главу описание экспериментов по цифровой регистрации объектов (в т.ч. движущихся), находящихся в жидких средах.

В заключении формулируются основные результаты работы.

1. Экспериментально исследованы особенности внеосевой голографической схемы, в которой регистрация исследуемого объема производится на просвет при нормальном падении предметного пучка на плоскость регистрации голограммы. Результаты проведенных в работе оценок, а также сравнительный анализ полученных в ходе экспериментов изображений объектов, находящихся на этапе регистрации в воздухе или в воде, записанных в зеленом свете (Х=0,53 мкм) и восстановленных в зеленом (А.:=0,54 мкм) и красном (Х=0,63 мкм) свете, подтверждают предположение о том, что на оптические искажения, обусловленные различными значениями показателей преломления сред, в которых находился исследуемый объект и его восстановленное изображение, наибольшее влияние оказывает угол между предметными лучами и фотопластиной. Следовательно, они могут быть минимизированы выбором геометрии голографической схемы.

2. Разработанный в данной работе метод определения показателя преломления выпуклых прозрачных частиц произвольной формы по их голографическому изображению повышает информативность голографических методов и позволяет бесконтактно изучать оптические свойства исследуемых частиц.

3. Экспериментально показано, что фильтрация пространственных частот на этапе восстановления голографических изображений позволяет повысить их контраст в ~1,7 раза. Данный метод может применяться в тех случаях, когда использование фильтрации пространственных частот на этапе голографической регистрации по каким-либо причинам невозможно.

4. Проведенные в работе оценки совпадают с результатами выполненных экспериментов и показывают, что для реализованной в работе внеосевой голографической схемы, в которой регистрация исследуемого объема производится на просвет, достаточно энергии импульса лазера ~30 мДж.

5. В имитаторе погружаемой голографической камеры реализована внеосевая голографическая схема с переносом изображения, в которой регистрация исследуемого объема производится на просвет при нормальном падении предметного пучка на плоскость регистратора. Данная схема, преимущественно за счет использования в ней источника излучения с меньшей энергией импульса (30 мДж), позволяет обеспечить меньшие, по сравнению с зарубежными аналогами, весогабаритные характеристики погружаемого топографического аппарата.

6. Экспериментально показано, что разработанная голографическая схема позволяет разрешать объекты размером более 100 мкм, расположенные в воздухе и воде, исследуемый объем составляет ~1 л.

7. Реализована система ввода голографических изображений, состоящая из цифровой ТВ камеры с насадкой, позволяющей применять объективы с различным увеличением, и ЭВМ, укомплектованной графическим адаптером, позволяющим осуществлять захват изображений с ТВ камеры. Данная система позволяет захватывать действительные голографические изображения объектов размером более 50 мкм и сохранять их в цифровом формате (BMP, JPEG) в памяти ЭВМ для последующего анализа.

8. Проведены экспериментальные исследования по регистрации цифровых осевых голограмм движущихся объектов, находящихся в жидкости.

Основные публикации по теме диссертации

1. Dyomin V.V., Mazur V.A., Makarov A.V., Melnik N.G., Timoshkin O.A. Holographic Diagnostics of Biological Microparticles in Liquid Media. Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics. 8th Joint International Symposium. - Irkutsk, 2001. - P. 178-179.

2. B.B. Демин, И.Г. Половцев, A.B. Мазур, A.B. Макаров, A.A. Тарасенко, H.H. Ковбасюк, Н.Г. Мельник. Погружаемая голографическая камера для исследования микрочастиц: проблемы и решения. Оптика атмосферы и океана. Т. 16, N9, 2003. — С.846-855.

3. Демин В.В., Мазур В.А., Макаров A.B. Голографическая регистрация микрочастиц в жидкости. Сб. трудов Всероссийской

научной конференции физика радиоволн. — Томск, 2002. — С. 1Х-31-IX-35. — публикация на CD.

4. Макаров A.B. Лабораторные исследования схемы для подводной голографии. Сборник тезисов Девятой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых: Тезисы докладов: В 2 т. Т.1 — Екатеринбург-Красноярск: издательство АСФ России, 2003. -С.541-543.

5. В.В. Демин, A.B. Макаров. Лабораторные исследования голографической схемы для подводной регистрации частиц. Оптические методы исследования потоков: Труды VII Международной научно-технической конференции / Под ред. Ю.П. Дубнищева, Б.С. Ринкевичюса. - М.: Издательство МЭИ, 2003 -С.276—279.

6. Макаров A.B. Повышение контраста голограф ических изображений микрообъектов, находящихся в жидких средах. Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития. Сб. статей молодых ученых. — Томск: Изд-во Том. ун-та, 2004. -С. 186-188.

7. Мазур В.А., Макаров A.B. Ольшуков A.C. Разработка программного обеспечения для восстановления и обработки голографических изображений частиц. Труды первой конференции студенческого научно-исследовательского инкубатора / Под ред. В.В. Демина. - Томск: Изд-во НТЛ. 2005. - 72 с.

8. Макаров A.B. Определение показателя преломления непоглощающих микрочастиц произвольной формы голографическими методами. Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов. — Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2005. - С.67-69.

9. Ольшуков A.C., Макаров A.B., Мазур В.А. Методы цифровой голографии для регистрации микрообъектов. Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов. - Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2005. - С.69—72.

10. Макаров A.B. Регистрация модельных частиц с помощью имитатора погружаемой голографической камеры. Сборник тезисов Одиннадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых: Тезисы докладов: В 1 .т. Т.1 — Екатеринбург: издательство АСФ России, 2005. — С.348—349.

11. Макаров А.В., Мазур В. А., Ольшуков А.С. Цифровое голо граф и чес кое видео живых организмов. Сборник тезисов Одиннадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых: Тезисы докладов: В 1.т. Т.1 — Екатеринбург: издательство АСФ России, 2005. - С.349-350.

12. Макаров А.В. Имитатор погружаемой голографической установки для исследования частиц, находящихся в воде. Известия высших учебных заведений. Физика. N6. - 2005. - С.135-136.

13. Мазур В.А., Макаров А.В., Ольшуков А.С. Цифровая голография для регистрации оседающих частиц в жидкости. Известия высших учебных заведений. Физика. N6. - 2005. - С.137-138.

14. Демин В.В., Мазур В.А., Макаров А.В., Ольшуков А.С. Цифровая голография объемных ансамблей частиц. Фундаментальные проблемы физики. Сборник тезисов III Международной конференции. — Казань, 2005. — С.22.

15. Демин В.В., Половцев И.Г., Макаров А.В. Имитатор погружаемой голографической камеры для исследования планктона. Фундаментальные проблемы физики. Сборник тезисов III Международной конференции. - Казань, 2005. - С.69.

16. V.V.Dyomin, A.V.Makarov, I.G.Polovtsev. Registration of Plankton Using the Imitator of the Submersible Holocamera. XII Joint International Symposium Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics. - Tomsk: Institute of Atmospheric Optics SB RAS, 2005. -P.135—136.

17. Mazur V.A., Makarov A.V., Olshukov A.S. Improvement of the Images Quality at Reconstruction of Digital Holograms. Proceedings of the 2nd Conference of Student Research and Development Incubator / Ed. By V.V. Dyomin. - Tomsk: NTL, 2005. - P. 15-20.

18. Демин B.B., Макаров A.B., Половцев И.Г. Регистрация планктона с помощью имитатора погружаемой голографической камеры. Оптика атмосферы и океана. Т. 19, N4, 2006. — С.312—318.

19. Victor V. Dyomin, Andrei V. Makarov, Igor G. Polovtsev. Plankton registration with the use of a simulator of the submersible holocamera // Proceedings of the ICO Topical Meeting on Optoinformatics/Information Photonics. - St. Petersburg, 2006. - P.63-65.

20. Victor V. Dyomin, Vasilii A. Mazur, Andrei V. Makarov, Alexei S. Olshukov. Improvement of the images quality at reconstruction of digital holograms // Proceedings of the ICO Topical Meeting on Optoinformatics/Information Photonics. - St. Petersburg, 2006. — P. 164— 166.

Список цитируемой литературы

1. Malkiel Е., Alquaddoomi О., Katz J. Measurements of plankton distribution in the ocean using submersible holography//Meas. Sci. Technol. - 1991. - N10. - P. 1142-1152.

2. Hobson P.R., Krantz E.P., Lampitt R.S., Rogerson A., Watson J. A preliminary study of the distribution of plankton using hologrammetry// Optic & Laser Technology. - 1977. -N1. - P.25-33.

3. Watson J., Alexander S., Craig G., Hendry D. C., Hobson P. R., Lampitt R. S., Marteau J. M., Nareid H., Player M. A., Saw K. et al. Simultaneous in-line and off-axis subsea holographic recording of plankton and other marine particles//Meas. Sci. Technol. - 2001. — N12.

- P.9-15.

4. Peter R., Hobson P., Watson J. The principles and practice of holographic recording of plankton//Appl. Opt. - 2002. - N 4. — P.34-49.

5. Nebrensky J.J., Craig G., Hobson P.R., Lampitt R.S., Nareid H., Pescetto A., Trucco A., Watson J. Data Extraction System for Underwater Particle Holography//Proceedings of SPIE. - 2000. -Vol.4076.-P. 120-129.

6. Barnhart D.H., Adrian R.J., Pappen G.C. Phase conjugate holographic system for high resolution particle image velocimetry//Appl. Opt. —

1994. — P.59—70.

7. Meng H., Hussain F. In-line Recording and Off-axis Viewing Technique for Holographic Particle Veiocimetry//Applied Optics. —

1995. -Nil. -P.1827-1840.

8. Zhang J., Tao В., Katz J. Turbulent flow measurement in a square duct with hybrid holographic PIV//Exp. Fluids. - 1997. - Vol.23. - P.373-381.

9. Дёмин B.B., Степанов С.Г. Голографические исследования прозрачных микрочастиц//Оптика атмосферы и океана. — 1998. -N7.

- С.671—676.

Размножено 100 экз. Копировальный центр -во ПД-Г№ 526, выдано 23 апреля 1996г. Томск, ул. 19-й Гвардейской дивизии, 75 тел.: 41-34-47

Введение

1. Обзор методов голографической регистрации объемных ансамблей частиц

1.1. Основные топографические схемы

1.2. Возможности топографических методов

1.3. Существующий метод определения показателя преломления частиц с помощью голографии

1.4. Действующие погружаемые топографические камеры

1.5. Повышение контраста топографических изображений

1.6. Методы компенсации оптических искажений, возникающих в топографических изображениях при регистрации частиц, находящихся в жидких средах

1.6.1. Аппаратные методы компенсации оптических искажений

1.6.2. Расчет положения частицы в кювете при голографической регистрации в системе вода-стекло-воздух

Выводы к главе

2. Экспериментальные исследования возможности минимизации оптических искажений на этапе голографической регистрации

2.1. Оценка аберраций, возникающих во внеосевой голографической схеме

2.2. Лабораторный стенд для голографической регистрации частиц, расположенных в жидкости

2.3. Запись голограмм в зеленом свете (А,=0,53 мкм) с последующим восстановлением в красном (А,=0,63 мкм) и зеленом свете (А.=0,54 мкм)

2.4. Запись голограмм в красном свете (А,=0,63 мкм) с последующим восстановлением зеленом (А,=0,54 мкм) и в красном свете (А.=0,63 мкм) 86 Выводы к главе

3. Метод определения показателя преломления выпуклых прозрачных частиц произвольной формы по их голографическим изображениям

3.1. Описание метода

3.2. Экспериментальные исследования

3.3. Численная реализация метода

3.4. Результаты эксперимента 102 Выводы к главе

4. Имитатор погружаемой голографической камеры

4.1. Повышение контраста голографических изображений на этапе записи и восстановления

4.2. Имитатор погружаемой голографической камеры

4.3. Восстановление действительных голографических изображений

4.4. Регистрация осевых цифровых голограмм объектов, находящихся в жидкости 133 Выводы к главе

Актуальность и состояние вопроса

Задача регистрации объемных ансамблей частиц актуальна в различных областях науки и техники (оптике атмосферного аэрозоля, экологии, биологии и т.д.). Минимальное возмущение исследуемого ансамбля частиц, высокое разрешение и глубина сцены, обеспечиваемые голографическими методами, а также возможность получения информации обо всем исследуемом объеме за одну экспозицию обусловило их применение при решении широкого класса задач [1 - 74], таких как измерение размеров частиц, определения их формы, концентрации в исследуемом объеме в лабораторных и натурных условиях [1 - 8], изучение процесса взаимодействия лазерного излучения с аэрозолем [10], исследование планктона в водной среде [1 - 4] и т.п. При этом в последней задаче, например, получаемая с помощью голографических методов информация о форме планктонных частиц обеспечивает их идентификацию и в совокупности с данными о размерах и распределении планктона в пространстве позволяет судить об экологическом состоянии исследуемого района. Методы голограмметрии были успешно применены для изучения распространения планктона в водной среде (Foster, Watson, Hobson и др., 1997 г. [2]). Известны эксперименты по измерению скорости частицы с помощью голографических методов (Barnhart и Adrian, 1994 [6]; Meng и Hussain, 1995 [7]; Zhang и др., 1997 г. [8]).

Подводное голографирование - это метод, включающий голографическую регистрацию частиц, находящихся в воде (в натурных условиях), с помощью погружаемых голографических камер [1-4, 11, 31, 49, 53, 56] и последующее восстановление голографических изображений в лабораторных условиях. Затем восстановленное голографическое изображение зарегистрированного объема исследуется по сечениям. В 1984 г. Malkiel, Katz и др. [1] разработали первую подводную голографическую систему, использующую импульсный рубиновый лазер, и применили её для измерения концентраций и размеров частиц в водах острова Catalina, Канада. Позднее Watson, Hobson и др. [3, 4] с помощью погружаемой голографической камеры «HOLOCAM» провели серию экспериментов, результаты которых внесли большой вклад в развитие голографических методов подводной регистрации.

Одной из особенностей метода подводной голографической регистрации [3, 4] является наличие в восстановленных изображениях оптических искажений, обусловленных тем, что на этапе записи в натурных условиях предметное излучение проходит путь от частицы (находящейся в воде) сквозь стекло иллюминатора к регистратору (расположенному в воздухе), а на этапе восстановления в лаборатории вода и иллюминатор отсутствуют [4]. В работах [4, 9] предложены и экспериментально апробированы соответственно аппаратный и численный методы компенсации оптических искажений, которые могут быть реализованы на этапе восстановления голограмм. Каждый из этих методов имеет свои особенности и область применения, тем не менее, использование в погружаемой голографической камере оптической схемы, позволяющей минимизировать возникающие искажения непосредственно на этапе регистрации голограмм, позволило бы упростить данную задачу.

В одной из двух погружаемых голографических камер, действующих в мире на сегодняшний день, используется внеосевая оптическая схема с освещением исследуемого объема на отражение, позволяющая получать информацию об исследуемых объектах в широком диапазоне углов [3, 4]. Это позволяет более детально исследовать отдельные частицы, но требует большой энергии источника излучения. При этом увеличиваются размеры погружаемой камеры и ее вес. В то же время информация, получаемая при помощи этой камеры, в большинстве задач является избыточной. Действительно, чаще всего необходима информация о концентрации, размерах и взаимном расположении частиц, которая может быть получена без обеспечения большого угла обзора частицы. Поэтому в большинстве случаев достаточно использовать, более простые схемы, достаточные для детектирования и идентификации ансамблей подводных частиц, при этом погружаемые топографические аппараты будут иметь меньшие весогабаритные характеристики.

Во второй из действующих в настоящее время погружаемых голографических камер реализована осевая геометрия записи, при которой накладывается ограничение на концентрацию частиц в исследуемом объеме [1].

На сегодняшний день существуют и успешно применяются методы определения геометрических параметров (размера, формы, расположения в пространстве) частиц по их голографическим изображениям. В случае геометрически правильных прозрачных частиц (сфера, цилиндр) разработан метод определения их показателя преломления по голографическим изображениям [9], однако способы определения оптических параметров частиц произвольной формы еще не предложены. Возможность определения показателя преломления частиц произвольной формы с помощью голографических методов расширит их информативность и позволит бесконтактно исследовать оптические свойства частиц исследуемого объема.

Цель работы

Разработка методов голографической регистрации частиц, находящихся в водной среде, и извлечения информации с записанных голограмм о геометрических и оптических параметрах исследуемых частиц.

Основные задачи

1. Топографическая регистрация частиц, находящихся в воде, с помощью внеосевой голографической схемы с нормальным падением предметного пучка на фотопластину, в которой освещение исследуемого объема производится на просвет, для выяснения возможностей снижения оптических искажений, обусловленных различными значениями показателей преломления сред, в которых находился исследуемый объект и его восстановленное изображение.

2. Разработка и экспериментальная апробация метода определения показателя преломления выпуклых прозрачных частиц произвольной формы по их голографическим изображениям.

3. Разработка голографической схемы имитатора погружаемой голографической камеры, которая может применяться в погружаемом голографическом аппарате, обладающем меньшими весогабаритными характеристиками по сравнению с существующими аналогами. Проведение экспериментов с помощью имитатора погружаемой голографической камеры по голографической регистрации модельных объектов для определения разрешения и глубины сцены, обеспечиваемых используемой оптической схемой.

Научная новизна

1. Показано, что использование для регистрации частиц, находящихся в жидкости, внеосевой схемы с нормальным падением предметного пучка на плоскость регистрации голограммы, в случае, когда освещение исследуемого объема производится на просвет, позволяет снизить оптические искажения, присутствующие в восстановленных голографических изображениях, обусловленные различными значениями показателей преломления сред, в которых находилась исследуемая частица и ее восстановленное изображение.

2. Разработан и экспериментально апробирован метод определения показателя преломления выпуклых прозрачных частиц произвольной формы по их голографическим изображениям.

3. Разработана и экспериментально апробирована внеосевая схема имитатора погружаемой голографической камеры, в которой регистрация исследуемого объема производится на просвет с нормальным падением предметного пучка на плоскость регистратора.

4. Апробирован метод повышения контраста действительных голографических изображений на этапе их восстановления с помощью фильтрации пространственных частот. Экспериментально показано, что фильтрация пространственных частот на этапе восстановления голографических изображений позволяет повысить их контраст ~1,7 раза.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Внеосевая топографическая схема, в которой освещение исследуемого объема осуществляется на просвет, а предметный пучок падает на плоскость регистрации голограммы нормально, за счет малости углов падения предметных лучей позволяет пренебречь оптическими искажениями восстанавливаемых голографических изображений, обусловленными различными значениями показателей преломления сред, в которых находился исследуемый объект и его восстановленное изображение. Искажения действительных изображений голографируемых частиц находятся в диапазоне от 2 % до 10 % в зависимости от формы частиц.

2. Предложенный метод, основанный на геометрическом построении хода лучей в восстановленном голографическом изображении, позволяет определять показатель преломления выпуклых прозрачных частиц произвольной формы с точностью, близкой к точности экспериментальных измерений.

3. Реализованная в имитаторе погружаемой голографической камеры внеосевая оптическая схема с переносом изображения, регистрацией исследуемого объема на просвет и нормальным падением предметного пучка на плоскость регистрации голограммы, позволяет разрешать объекты размером более 100 мкм, при этом регистрируемый объем составляет около 1 л (при длине объема 500 мм).

Методы исследования

Для решения поставленных задач проводились экспериментальные исследования в лабораторных условиях. При разработке метода определения показателя преломления выпуклых прозрачных частиц произвольной формы по их голографическим изображениям использовались методы геометрической оптики, а при его реализации - аппарат аналитической геометрии и численные методы. Обработка результатов измерений и расчетов производилась с помощью методов математической статистики.

Достоверность результатов и выводов работы обеспечивается повторяемостью полученных экспериментальных данных, их согласием с имеющимися результатами экспериментальных исследований других авторов.

Научная ценность и практическая значимость

Экспериментальные результаты, полученные в настоящей работе, развивают существующее представление об эффектах, связанных с регистрацией и восстановлением голографических изображений в области подводной голографии ансамблей частиц.

Применение разработанной и апробированной в работе оптической схемы, преимущественно за счет использования в ней источника излучения с меньшей энергией импульса (30 мДж), позволяет обеспечить меньшие, по сравнению с зарубежными аналогами, весогабаритные характеристики погружаемого топографического аппарата.

Экспериментально подтверждена практическая эффективность повышения контраста голографических изображений объемных ансамблей частиц, находящихся на этапе регистрации в жидкости, методом фильтрации пространственных частот на этапе восстановления.

Предложенный в данной работе метод определения показателя преломления выпуклых прозрачных частиц произвольной формы по их голографическому изображению увеличивает информативность голографических методов и позволяет бесконтактно исследовать оптические свойства исследуемых частиц.

Результаты работы внедрены и используются в ФГУДП «НИПИокеангеофизика» (ГНЦ ФГУГП «Южморгеология», г. Геленджик), в Лимнологическом институте СО РАН (г. Иркутск), а также используются в учебном процессе в Томском государственном университете (г. Томск). В приложении приведены акты об использовании результатов работы.

Публикации и апробация работы

По материалам выполненных исследований вышли 20 публикаций, из них 2 статьи опубликованы в журнале «Оптика атмосферы и океана», 2 статьи - в журнале «Известия высших учебных заведений. Физика», остальные - в Трудах и Тезисах конференций. Результаты докладывались на Международных конференциях: VIII, XII Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана» (Иркутск 2001; Томск 2005); VII Международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков» (Москва, 2003); 3-я и 4-я Международная школа молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды» (Томск 2002, 2004); III Международная конференция «Фундаментальные проблемы физики» (Казань 2005); а также на Всероссийских конференциях: «Физика радиоволн» (Томск 2002), 9-я, 11-я «Всероссийская конференция студентов-физиков и молодых ученых» (Красноярск 2003, Екатеринбург 2005); V, VI Российская школа-семинар молодых ученых «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития» (Томск 2004, 2005); 1-я, 2-я «Конференция студенческого научно-исследовательского инкубатора» (Томск 2005, 2006); ICO Topical Meeting on Optoinformatics/Information Photonics (St. Petersburg, 2006).

Вклад автора

Автор работы принимал прямое участие в проведении экспериментальных исследований, теоретическом обосновании и численной реализации метода определения показателя преломления выпуклых прозрачных частиц произвольной формы по их голографическим изображениям, а также в обработке и интерпретации полученных данных. Большинство экспериментов, оценок и расчетов выполнено автором лично.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю -кандидату физико-математических наук В.В. Демину за постановку задачи, формирование научного мировоззрения, внимание и поддержку, оказанные в ходе работы над диссертацией. Автор признателен своим соавторам и коллегам по работе, работа с которыми способствовала успешному достижению поставленной цели.

Работа выполнялась в период с 2001 по 2006 год на базе Томского государственного университета.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается актуальность, определяется тематика и формулируется цель работы, кратко излагаются основные задачи исследования и результаты, выносимые на защиту.

Первая глава представляет собой литературный обзор. Рассматриваются основные принципы голографии. Приведен обзор голографических схем. Обсуждаются возможности оптических схем для голографической регистрации, с учетом использования в качестве регистраторов как фотоэмульсий, так и ПЗС-матриц.

Анализируется существующий метод определения показателя преломления частиц правильной формы (сфера, цилиндр) по их голографическим изображениям.

Приведен краткий обзор характеристик и особенностей действующих погружаемых топографических камер и экспериментальные данные, полученные в ходе их погружений.

Обсуждены целесообразность и пути повышения контраста голографических изображений при голографической регистрации частиц, находящихся в жидкости.

Рассмотрены искажения восстановленных изображений, обусловленные различными значениями показателей преломления сред, в которых находится исследуемый объект и его восстановленное изображение. Проанализированы способы их компенсации на этапе восстановления, как аппаратным путем, так и расчетным (последний случай подтвержден в данной работе экспериментально).

В заключение главы поставлены задачи исследования.

Во второй главе выполнены оценки оптических аберраций, возникающих во внеосевой голографической схеме, при регистрации частиц, находящихся в воде.

Описывается лабораторный стенд, на котором реализована внеосевая голографической схема с регистрацией исследуемого объема на просвет при нормальном падении предметного пучка на плоскость регистратора. Описана схема ввода восстановленных голографических изображений в ЭВМ.

Приведены результаты лабораторного эксперимента по регистрации в зеленом свете (А,=0,53 мкм) модельных частиц различной формы, расположенных в воздухе или в воде на различных расстояниях от регистратора. С помощью численных методов проводилось сравнение не только действительных голографических изображений объектов, находящихся на этапе регистрации в воздухе или в воде, но и восстановленных в красном и зеленом свете (А,=0,63 мкм и А,=0,54 мкм, соответственно).

Третья глава посвящена предложенному автором данной работы методу определения показателя преломления выпуклых прозрачных частиц произвольной формы по их топографическим изображениям.

Приведен алгоритм метода, указаны особенности его реализации. Представлены результаты лабораторного эксперимента, проведенного для апробации предложенного метода.

В четвертой главе приведены результаты проведенных экспериментов по фильтрации пространственных частот на этапе записи и восстановления голограмм.

Описывается конструкция, названная имитатором погружаемой голографической камеры, которая моделирует основные модули погружаемого аппарата. В качестве оптической схемы в имитаторе используется внеосевая топографическая схема, в которой регистрация исследуемого объема производится на просвет при нормальном падении предметного пучка на плоскость регистратора. Приведены результаты лабораторных экспериментов по оценке разрешения и глубины сцены оптической схемы имитатора (в качестве объектов использовались модельные частицы различной формы, а также живые организмы, движущиеся в воде, которые на этапе регистрации располагалась в воздухе или в воде на различных расстояниях от регистратора).

Завершают главу результаты проведенных экспериментов по цифровой регистрации объектов (в т.ч. движущихся), располагавшихся в жидких средах.

В заключении формулируются основные результаты работы.

Приложение 1 содержит фотографии используемого в работе лабораторного стенда, а также фотографии действительных топографических изображений, полученные в главе 2.

В приложении 2 представлены результаты численных оценок экспериментальных данных, полученных в главе 2, приведены акты об использовании результатов работы.

Выводы к главе

1. В имитаторе погружаемой голографической камеры реализована внеосевая схема с переносом изображения, регистрация исследуемого объема в которой производится на просвет, при нормальном падении предметного пучка на плоскость регистрации. Схема может применяться в действующем погружаемом топографическом аппарате.

2. Экспериментально подтверждена возможность повышения контраста топографических изображений с помощью метода фильтрации пространственных частот, осуществляемой на этапе восстановления. В используемой схеме контраст удалось повысить в 1,7 раза.

3. Расчетные оценки совпадают с результатами проведенных экспериментов и показывают, что для реализованной в работе внеосевой схемы, в которой регистрация исследуемого объема производится на просвет, достаточно энергии импульса лазера -30 мДж.

4. Проведены экспериментальные исследования по регистрации цифровых осевых голограмм движущихся объектов, расположенных в жидкости. На ПЗС-матрицу (с параметрами: размер матрицы: 4,8*3,6 мм; размер пикселя: 12 мкм; частота обновления кадра 1/100000 с) удалось зарегистрировать объекты размером 400 - 800 мкм. Восстановленные действительные изображения движущихся объектов представлены в виде отдельных фреймов топографического фильма, записанного в цифровом формате (АVI, 25 fps).

Анализ результатов проведенных экспериментов позволяет сформулировать третье защищаемое положение: реализованная в имитаторе погружаемой голографической камеры внеосевая оптическая схема с переносом изображения, регистрацией исследуемого объема на просвет и нормальным падением предметного пучка на плоскость регистрации голограммы, позволяет разрешать объекты размером более 100 мкм, при этом регистрируемый объем составляет около 1 л (при длине объема 500 мм).

Заключение

Разработанная топографическая схема, в которой регистрация исследуемого объема производится на просвет при нормальном падении предметного пучка на плоскость регистратора, может быть реализована в погружаемом топографическом аппарате, обладающем меньшими весогабаритными характеристиками по сравнению с зарубежными аналогами. При этом использование данной оптической схемы в погружаемой камере позволит минимизировать оптические искажения, возникающие в топографических изображениях и обусловленные различием показателей преломления сред, в которых находились исследуемые частицы и их восстановленные изображения. Апробированный в работе метод повышения контраста топографических изображений с помощью фильтрации пространственных частот на этапе их восстановления может применяться при обработке голограмм, полученных в ходе погружений топографических камер, поскольку в этом случае фильтрация пространственных частот на этапе голографической регистрации сильно затруднена. Разработанный в работе метод определения показателя преломления прозрачных частиц произвольной формы по их действительному топографическому изображению, повышает информативность голографических методов и позволяет исследовать оптические параметры частиц в тех случаях, когда применение контактных методов по каким-либо причинам невозможно.

Для достижения поставленных целей в работе выполнено:

1. Экспериментально исследованы особенности внеосевой голографической схемы, в которой регистрация исследуемого объема производится на просвет при нормальном падении предметного пучка на плоскость регистрации голограммы. Результаты проведенных в работе оценок, а также сравнительный анализ полученных в ходе экспериментов изображений объектов, находящихся на этапе регистрации в воздухе или в воде, записанных в зеленом свете (1=0,53 мкм) и восстановленных в зеленом

Af0,54 мкм) и красном (1=0,63 мкм) свете, подтверждают предположение о том, что на оптические искажения, обусловленные различными значениями показателей преломления сред, в которых находился исследуемый объект и его восстановленное изображение, наибольшее влияние оказывает угол между предметными лучами и фотопластиной. Следовательно, они могут быть минимизированы выбором геометрии голографической схемы.

2. Разработанный в данной работе метод определения показателя преломления выпуклых прозрачных частиц произвольной формы по их голографическому изображению повышает информативность голографических методов и позволяет бесконтактно изучать оптические свойства исследуемых частиц.

3. Экспериментально показано, что фильтрация пространственных частот на этапе восстановления голографических изображений позволяет повысить их контраст в -1,7 раза. Данный метод может применяться в тех случаях, когда использование фильтрации пространственных частот на этапе голографической регистрации по каким-либо причинам невозможно.

4. Проведенные в работе оценки совпадают с результатами выполненных экспериментов и показывают, что для реализованной в работе внеосевой голографической схемы, в которой регистрация исследуемого объема производится на просвет, достаточно энергии импульса лазера -30 мДж.

5. В имитаторе погружаемой голографической камеры реализована внеосевая голографическая схема с переносом изображения, в которой регистрация исследуемого объема производится на просвет при нормальном падении предметного пучка на плоскость регистратора. Данная схема, преимущественно за счет использования в ней источника излучения с меньшей энергией импульса (30 мДж), позволяет обеспечить меньшие, по сравнению с зарубежными аналогами, весогабаритные характеристики погружаемого голографического аппарата.

6. Экспериментально показано, что разработанная топографическая схема позволяет разрешать объекты размером более 100 мкм, расположенные в воздухе и воде, исследуемый объем составляет ~1 л.

7. Реализована система ввода голографических изображений, состоящая из цифровой ТВ камеры с насадкой, позволяющей применять объективы с различным увеличением, и ЭВМ, укомплектованной графическим адаптером, позволяющим осуществлять захват изображений с ТВ камеры. Данная система позволяет захватывать действительные топографические изображения объектов размером более 50 мкм и сохранять их в цифровом формате (BMP, JPEG) в памяти ЭВМ для последующего анализа.

8. Проведены экспериментальные исследования по регистрации цифровых осевых голограмм движущихся объектов, находящихся в жидкости. На ПЗС-матрицу (с параметрами: размер матрицы 4,8*3,6 мм; размер пикселя 12 мкм) зарегистрированы объекты размером 400 - 800 мкм. Восстановленные действительные изображения движущихся объектов представлены в виде отдельных фреймов топографического фильма, записанного в цифровом формате (АVI, 25 fps). Таким образом, отработана методика цифровой голографической регистрации частиц, расположенных в жидких средах.

1. Malkiel Е., Alquaddoomi О., Katz J. Measurements of plankton distribution in the ocean using submersible holography//Meas. Sci. Technol. 1991. -N 10.-P.l 142-1152

2. Hobson P.R., Krantz E.P., Lampitt R.S., Rogerson A., Watson J. A preliminary study of the distribution of plankton using hologrammetry// Optic & Laser Technology. 1977. - N 1. - P.25-33

3. Peter R., Hobson P., Watson J. The principles and practice of holographic recording of plankton//Appl. Opt. 2002. - N 4. - P.34-^9.

4. Nebrensky J.J., Craig G., Hobson P.R., Lampitt R.S., Nareid H., Pescetto A., Trucco A., Watson J. Data Extraction System for Underwater Particle Holography//Proceedings of SPIE. 2000. - Vol.4076. - P. 120-129.

5. Barnhart D.H., Adrian R.J., Pappen G.C. Phase conjugate holographic system for high resolution particle image velocimetry//Appl. Opt. 1994. -P.59-70.

6. Meng H., Hussain F. In-line Recording and Off-axis Viewing Technique for Holographic Particle Veiocimetry//Applied Optics. 1995. - N 11. -P. 1827-1840.

7. Zhang J., Tao В., Katz J. Turbulent flow measurement in a square duct with hybrid holographic PIV//Exp. Fluids. 1997. - Vol.23. - P.373-381.

8. Дёмин B.B., Степанов С.Г. Голографические исследования прозрачных микрочастиц/Юптика атмосферы и океана. 1998. - N 7. - С.671-676.

9. Ю.Дёмин В.В. Голографическая диагностика рассеивающих сред в задачах распространения оптических волн. Дисс. канд. физ. мат. Наук. -Томск, 1988.-167 с.

10. Foster E., Watson J. Holography for underwater inspection and measurement: an overview of current work//Optic & Laser Technology. -1977.-N 1. -P.17-23

11. Симонова Г.В., Демин B.B., Половцев И.Г. Оптическая система переноса изображения частиц для подводного голографирования. ОМИП-2003.

12. Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. М.: Мир, 1979.-686 с.

13. H.Dyomin V.V., Mazur V.A., Makarov A.V., Melnik N.G., Timoshkin О.A. Holographic Diagnostics of Biological Microparticles in Liquid Media. 8th Joint International Symposium. Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics. Irkutsk, 2001. - P. 178-179.

14. Демин B.B., Половцев И.Г., Мазур A.B., Макаров А.В., Тарасенко А.А., Ковбасюк Н.Н., Мельник Н.Г. Погружаемая топографическая камера для исследования микрочастиц: проблемы и решения/Юптика атмосферы и океана. 2003. - N 9. - С.846 - 855

15. Демин В.В., Мазур В.А., Макаров А.В. Топографическая регистрация микрочастиц в жидкости. Сб. трудов Всероссийской научной конференции "Физика радиоволн". Томск, 2002. - C.IX-31-IX-35 (публикация на CD).

16. Макаров А.В. Повышение контраста голографических изображений микрообъектов, находящихся в жидких средах. Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития. Сб. статей молодых ученых. Томск: Изд-во Том. ун-та, 2004. - 200 с.

17. Ольшуков А.С., Макаров А.В., Мазур В.А. Методы цифровой голографии для регистрации микрообъектов. Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов. Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2005.-104 с.

18. Макаров А.В. Имитатор погружаемой голографической установки для исследования частиц, находящихся в воде. Известия высших учебных заведений. Физика. N 6. 2005. - С.135-136

19. Мазур В.А., Макаров А.В., Ольшуков А.С. Цифровая голография для регистрации оседающих частиц в жидкости. Известия высших учебных заведений. Физика. N 6. 2005. - С. 137-138

20. Демин В.В., Мазур В.А., Макаров А.В., Ольшуков А.С. Цифровая голография объемных ансамблей частиц. Фундаментальные проблемы физики. Сборник тезисов III Международной конференции. Казань 2005.-22 с.

21. Демин В.В., Половцев И.Г., Макаров А.В. Имитатор погружаемой голографической камеры для исследования планктона. Фундаментальные проблемы физики. Сборник тезисов III Международной конференции. Казань 2005. - 69 с.

22. Kebbel V., Adams M., Hartmann H., Juptner W. Digital holography as a versatile optical diagnostic method for microgravity experiments//Meas. Sci. Technol. 1999. - N 10. - P.893-899

23. Sun H., Dong H., Player M. A., Watson J., Paterson D. M., Perkins R. Inline digital video holography for the study of erosion processes in sediments//Meas. Sci. Technol. 2002. - Vol.13. - P. 1-6

24. Knox, C., Brooks, R. E. Holographic motion picture microscopy// Proceedings of the Royal Society of London. 1969. - Vol.174. - P. 115121

25. Pu Y., Meng H. An advanced off-axis holographic particle image velocimetry (HPIV) system//Exp Fluids. 2000. - Vol.29. - P. 184-197

26. Sheng J., Malkiel E., Katz J. Single beam two-views holographic particle image velocimetiy//Appl. Optics. 2003. - Vol.42. -P.235-250

27. Tao В., Katz J., Meneveau C. Statistical geometry of subgrid-scale stresses determined from holographic particle image velocimetry measurements//J. Fluid Mech. 2002. - Vol.457. - P.35-78

28. Xu W., Jericho M.H., Meinertzhagen I.A., Kreuzer H.J. Digital in-line holography for biological applications//Proc. Natl. Acad. Sci. 2002. -P.l 1301-11305

29. Zhang J., Tao В., Katz J. Turbulent flow measurement in a square duct with hybrid holographic PIV//Exp. Fluids. 1997. - Vol.23. - P.373-381

30. Carder K.L. et. al. In situ holographic measurements of the sizes and setting of oceanic particles//J. Geophys. Res. 1982 - Vol.87. - P.5681-5685

31. Heflinger L.O., Stewart G.L., Booth C.R.//Holographic motion pictures of microscopic plankton//Appl. Opt. 1987. - Vol.17. -P.951-954

32. Thompson R.J. Holographic particles sizing techniques//! Phys. E. Sci. Inst.- 1974. -N 7. -P.781-788

33. Grabowski W. Measurement of the size and position of aerosol droplets using holography//Opt. Laser Technol. 1983. - Vol.15. - P. 199-205

34. Hobson P.R. Precession coordinate measurement using holographic recording//! Phys. E. Sci. Inst. 1988. - Vol.21. - P. 168-145

35. Meng H. et. al. Intrinsic speckle noise in in-line particle holography//! Opt. Soc. Am. 1993. - N 10. - P.2046-2058

36. Watson J. Optical holography applied to underwater visual inspection//Proc. SPIE. 1987. - Vol.701. - P.49-55

37. Watson J., Hobson P.R., Krantz R., Lampitt R.S., Rogerson A. Holographic menstruation of suspended particles in aquatic systems//Proc. SPIE. 1995.- Vol.2577.-P.191-199

38. P. R. Hobson, R. S. Lampitt, A. Rogerson, J. Watson, Xiao Fang, E. P. Krantz. Three-Dimensional spatial coordinates of individual plankton determined using underwater hologrammetry//Limnology and Oceanography. 2000. - Vol.45. - No. 5. - P.l 167-1174

39. Carder K.L. Holographic microvelocimeter for use in studying ocean particle dynamics//Opt. Eng. 1979. - Vol.18. - P.524-525

40. Watson J, Alexander S, Hendry D, et al. Holocam: a subsea holographic camera for recording marine organisms and particles Optical Diagnostics in Engineering//Proc. SPIE. 2000. - Vol.4076. - P.l 11-119

41. Hobson P.R., Watson J. Accurate three-dimensional metrology of underwater objects using replayed real images from in-line and off-axis holograms/ZMeasurement Science and Technology. 1999. - N 10. -P.l 153-1161

42. Bexon R., Gibbs J., Bishop G.D. Automatic Assessment of Aerosol Holograms//Journal of Aerosol Science. 1976. - N 7. P.397-407

43. Katz J., Donaghay P.L., Zhang J., King S., Russell K. Submersible Holocamera for Detection of Particle Characteristics and Motions in the Ocean//Deep-Sea Research. 1999. - Vol.146. - P. 1455-1481

44. Deason V.A. Some Applications of Holography at the Idaho National Engineering Laboratory' Industrial and Commercial Applications of Holography//Proceedings of the SPIE. 1992. - Vol.353. - P.131-137

45. Nebrensky J.J., Craig G., Hobson P.R., Lampitt R.S., Nareid H., Pescetto A., Trucco A., Watson J. Data Extraction System for Underwater Particle Holography//Proceedings of SPIE. 2000. - Vol.4076. - P. 120-129

46. Brown P.R. Use of Holography for Airborne Cloud Physics Measurements//Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 1989. -N 6. - P.293-306

47. Vossing H.J., Borrmann S., and Jaenicke R. ln-Line Holography of Cloud Volumes Applied to the Measurement of Raindrops and Snowflakes//Atmospheric Research. 1998. - Vol.49. - P. 199-212

48. Black K.S., Sun H., Craig G., Paterson D., Watson J., Tolhurst T. Incipient erosion of biostabilized sediments examined using particle-field optical holography//Environ. Set. Technol. 2001. - Vol.35. - P.2275-2281

49. Edwin Malkiel, Jian Sheng, Joseph Katz, J. Rudi Strickler. The three-dimensional flow field generated by a feeding calanoid copepod measured using digital holography//The Journal of Experimental Biology. 2003. -Vol.206.-P.3657-3666

50. Naon, R., Bjelkhagen, H., Burnstein, R., Voyvodic, L. A System for Viewing Holograms//Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. -1989.- Vol.283. -P.24-36

51. Green S.I., Zhao Z. Reconstructed Double-pulsed Holograms: A System for Efficient Automated Analysis//Applied Optics. 1994. - N 5. - P.761-767

52. Huang X.M., Zuo J.M., Spence J.C. Wavefront reconstruction for in-line holograms formed by pure amplitude objects//Appl. Surf. Sci. 1999. -Vol.148.-P.229-234

53. Schnars U., Kreis T.M., Juptner W.P. Direct recording of holograms by a CCD target and numerical reconstruction//Appl. Opt. 1994. - Vol.33. -179-181

54. Hala Elsadek, Hesham Eldeeb, Franco Deflaviis, Luis Jofre, Esmat Abdallah. The holographic 3D Mouse (Holo3D), A New System for three-Dimensional Input//Microwave and optical technology letters. 2001. -Vol.29. - N 6. - P.397-402

55. Simonetta Grilli, Pietro Ferraro, Sergio De Nicola, A. Finizio, G. Pierattini, R. Meucci. Whole optical wavefields reconstruction by digital holography//Optics express. 2001. - N. 6. - P.294-302

56. Хуанг Т. Цифровая голография. В сб.: Применения голографии. М.: Мир, 1973.-65 с.

57. Сойфер В.А. Цифровая голография. Достижения и проблемы. Материалы IX Всесоюзной школы по голографии и когерентной оптике. Л.: ЛИЯФ, 1977. - 199 с.

58. Ярославский Л.П., Мерзляков Н.С. Методы цифровой голографии. -М.: Наука, 1977.

59. Денисюк Ю.Н. Принципы голографии. Ленинград, 1979. - 123 с.

60. Лансберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976

61. Савельев И.В. Курс обшей физики. М.: Наука, 1988. - т. 2.77.0птика океана. М.: 1986.

62. Дубровский И.М., Егоров Б.В., Рябошапка К.П. Справочник по физике. Изд-во "Наукова думка", 1986. - С.453-556.

63. Делоне Н.Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. М.: Наука.-1989.-274 с.

64. Фильтрация пространственных частот оптических изображений. Под ред.Рябухо В.П. Саратов, 2004. - 15с.

65. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика: Учебник. М.: Изд-во Мое. Ун-та, 1998. - 656 с.

66. Голубенцева Л.И. Введение в оптическую голографию. Саратов: СГУ, 1964

67. Kilpatrick J. М., Watson J. Precision replay of underwater holograms//Meas. Sci. Technol. 1994. -N 5. - P.716-725

68. Kilpatrick J. M., Watson J. Underwater hologrammerty: reduction of aberrations by index compensation//.!. Phys. D: Appl. Phys. 1993. - Vol. 26. - P. 177-182

69. Banyasz I., Kiss G., Varga P. Holographic image of a point source in the presence of misalignment//Appl. Opt. 1998. - Vol. 27. - P. 1293-1297

70. Микулин В.П. 25 уроков фотографии. Практическое руководство. Одиннадцатое издание. М.: Искусство, 1963.

71. Клетеник Д.В. Сборник задач по аналитической геометрии. М., 1967. -256 с.

72. Роджерс.Д., Адамс.Дж. Математические основы машинной графики: Пер. с англ. М.: Мир, 2001. - 604 с.

73. Демин В.В., Макаров А.В., Половцев И.Г. Регистрация планктона с помощью имитатора погружаемой голографической камеры. Оптика атмосферы и океана. Т. 19, N4, 2006. С.312-318.