Az eljárás bemutatásához egy, a szélére lenyomott 4cm*4cm-es fehérre festett sárgaréz lemezt használtam próbatárgyként (2.1-3a. ábra), mely mikrométeres dróttal hátulról terhelhető. A rekonstruált képen (2.1-3b. ábra) nemcsak éles képe látható az objektumról, hanem középen egy fényes sugár, a közepén pedig egy diffúz sugár is visszaverődik.
Elektronikus szemcsekép interferometria
Ennek érdekében az objektumról alap- és deformált állapotú, változatlan referenciafelület közelében szemcsés képet (szemcsés intenzitású képet) rögzítünk, amelyet a számítógépen tárolunk és feldolgozunk. Itt két szemcsekép (intenzitáskép) különbségét számítjuk, a fázisinformáció nem ismert, ezért a különbségképen megjelenő kontúrvonalak nem interferenciavonalak, hanem korrelációs vonalak.
Digitális hologramok optikai rekonstrukciója térbeli fénymodulátorral
Ahogy a paramétereknél említettem, az LC2002 SLM elsősorban fázismodulációs eszköz, így a legjobb minőségű rekonstruált kép akkor érhető el, ha a bemeneti képadatként fázishologramot használunk. Mivel a fényhatásfok az LC2002 esetében csak 20%, a két tulajdonság együttes hatása jelentősen rontja a rekonstruált kép minőségét, ezért finombeállítást és erős lézer használatát igényli.
Áttekintés az összehasonlító mérési módszerekr ő l
Ezzel a mérési módszerrel hologramot készítünk a mester objektum alapjáról és deformált állapotáról egy analóg holografikus elrendezésben. Az összehasonlító mérések mindkét módszer esetében a mester objektum alap- és deformált állapotának digitális hologramjának rögzítésén alapulnak, majd azt képjelként az SLM-re alkalmazzák, és a vizsgálandó tárgyat a mester hullámterével világítják meg. tárgy. tárgy31,32.
Méréshatár kiterjesztését célzó módszerek áttekintése
Dolgozatomban kimutattam, hogy a méréseink során leggyakrabban használt vizsgálandó tárgy (2.1-3a. ábra) felülete kb. 5 perces deformáció után is enyhén el tud mozdulni. Megfigyelhető, hogy a rendelkezésre álló fázisinformációkból mennyivel jobb minőségű fázisképek számíthatók fáziseltolásos felvételek segítségével, mint egyszerű DHI esetén.
Alakmérési módszerek
Ez a felbontás javítható két kép közötti expozícióeltolás méretének növelésével, de ekkor számolnunk kell a korreláció csökkentésével is (3.5. fejezet).
Új kutatási eredmények
Digitális holográfia és csökkentett érzékenység ű TV holográfia kombinálása nagy deformációk mérésére [P1, P6]
Munkám során egy ilyen optikai elrendezést terveztem és valósítottam meg a DHI és a deszenzitizált ESPI kombinálására. Ez a pontos feldolgozás azon alapul, hogy az alakváltozást csak részben kompenzálom, de úgy, hogy a különbségképen csak néhány csík maradjon (pl. 3.1-9c ábra).
Elmozdulás mérések fels ő méréshatárának vizsgálata digitális holografikus interferometriában csíkkompenzációs mérési módszer alkalmazása esetén [P2]
Kezdetben nem átlagolást alkalmaztam, hanem a csíkokra merőleges egyenessel (3.2-1a ábrán kék vonal jelölve) megrajzoltam az intenzitás keresztmetszetét és függvényét (3.2-1b ábra). Ezután 100 pixelt átlagoltam a csíkok teljes hosszában (50-50 pont felfelé és lefelé a kék vonaltól), és ábrázoltam az így kapott intenzitású keresztmetszetet (3.2-1c. ábra). Összehasonlítva az adatokat a valós mérésekkel kapottakkal, megállapítható, hogy itt is romlik az intenzitássávok láthatósága, de jobb eredményt kapunk azonos nagyságrendű kompenzációval.
Az MX13 kamerával végzett méréseknél a mérési határokon fellépő síkeltolás nagyságát számoltam mind elforgatás, mind alakváltozás kompenzáció esetén. A fenti eredmények alapján megállapítható, hogy a felső mérési határ az elfordulás és alakváltozás méréseknél megközelítőleg megegyezik, ezért elegendő csak egy esetet megvizsgálni.
Interferogramok csíkkompenzáción alapuló automatizált kiértékelése digitális holográfiában [P7, P8]
Bármilyen ehhez a testhez hasonló elforgatás felosztható függőleges és vízszintes komponensekre, így általában a töredezett fázisképeken 41-41 vízszintes és függőleges vonal mentén elemeztem a programot. Rájöttem (3.3-1b. ábra), hogy a vízszintes tengely körüli forgás megjelenése ellenére az öt legnagyobb hely bármelyik vízszintes vonal mentén fotometriával azonosítható. Megfigyelhető, hogy a függőleges tengely körül megközelítőleg 0,1-0,2 forgási sáv marad kompenzálatlanul, ami a kiértékelési hibának tudható be.
A következő példában a virtuális membrán két tengely körüli forgását és két független deformációt modelleztem, majd a kapott fázisképet (3.3-5a. ábra) értékeltem ki a programmal. A (b), (c) és (d) ábrák a vízszintes és a függőleges tengely körüli elfordulások, illetve a fő deformáció kompenzációja utáni részeredményeket mutatják be.
Aktív mér ő rendszer kidolgozása, optimalizálása és számítógépes modellezése [P9]
A készülék FireWire csatlakozón keresztül is működtethető, és 2592*1944 felbontású Micron/Aptina CMOS érzékelőt tartalmaz, 2,2 µm pixelmérettel. A módosított kódnak köszönhetően a kamerák cseréjekor elég az adott modellhez igazodó drivert kiválasztani és a készülék használható, teljes kézi beállítással. Így a készülék automatizálását úgy valósítottam meg, hogy a programom vezérlőjeleket tud küldeni az SLM-nek, de a mérés előtt külön be kell állítani az optimális megjelenítési paramétereket.
A megfelelő paraméterek és beállítások használatához azonban először a készülék működését optimalizáltam az elrendezésnek és a hullámhossznak megfelelően (λ=647,1nm). Ezt a készülék komplex transzmittanciájának nevezik, és általában a cellákra kapcsolt feszültség függvényében adják meg, pl. pixel.
Az egyes elhajlási sorozatokban az intenzitást Newport Model 1815C + 818-SL teljesítménymérővel határoztam meg (D1 és D2 a 3.4-3. ábrán). Ezt az összefüggést felhasználva, a szabályozási szintek ismeretében és az egyes elhajlási sorrendek elhajlási intenzitásának mérésével meghatároztam a fáziseltolódásokat. A rács szürkeárnyalatos értékének több lépésben történő változtatásával minden sorozatban megmértem a diffrakciós intenzitásokat, majd a (3.4.6) képlet segítségével kiszámítottam a megfelelő fáziseltolódásokat.
Ha számítógéppel szimulált hologramokat használunk vezérlőjelként, akkor azok közvetlenül előállíthatók a fentiek szerint, de kísérleti mérések esetén a rögzített Fresnel típusú amplitúdóhologramok is átkódolhatók Fourier típusú fázishologrammá. Kísérleti sorozatok felhasználásával megállapítottam, hogy az LC2002 típusú SLM-mel optikailag rekonstruált hologramok minősége akkor a legjobb, ha a fenti módon átkódolt és fénytranszformált Fourier-típusú fázishologramokat használok vezérlőjelként.
Adaptív összehasonlító elmozdulás- és alakmérések fejlesztése optikailag rekonstruált számítógéppel generált hullámfrontok alkalmazásával [P3, P10]
Természetesen lehetséges, hogy az SLM minden eltolt állapothoz külön hologramot szimulál, de a fázismanipuláció sokkal gyorsabb és 3.3. A visszacsatoláson alapuló holografikus megvilágítás összehasonlító mérési elrendezésben történő alkalmazásával az egyes komponensek külön-külön kinyerhetők, így az eredeti elmozdulás lépésről lépésre teljesen vagy részben automatikus feldolgozása hajtható végre (a 3.3.3 és 3.3.4 pontok alapján). Az egyes komponensek alakja és mérete úgy határozható meg, hogy teljesen eltűnnek a differenciálképről, hiszen ebben az esetben az SLM-be küldött hologram pontosan ugyanahhoz a deformációhoz tartozik.
Több méréssorozat elvégzése után azt tapasztaltam, hogy a feldolgozó algoritmus ~80%-os valószínűséggel megfelelően működött, lépésről lépésre kompenzálta a különböző kép egyes komponenseit megfelelő hologramok SLM-be küldésével. A módszer további előnye, hogy a forgáskompenzáció ESPI beállítás esetén is könnyen működik, míg szalagkompenzáció esetén állapotonként fáziseltolásos felvételekre is szükség lenne.
Megfelelő holografikus világítás alkalmazásával a forgáskompenzáció már rögzítés közben is megtörténhet, és automatizálható egy automatikus kiértékelőn alapuló visszacsatolás segítségével. Az általam vizsgált, egyedi hullámhosszú alakzatok mérésére szolgáló eljárások csoportja a tárgy megvilágítási sugár irányának két felvétel között történő elforgatásán alapul. Rajta egy azonos méretű, a lemez síkjából 5 mm-rel kiálló kerek dudor található, amely után az egyiken oldalsó dudor jelenik meg.
Az egyetlen különbség a két forma között egy oldalsó dudor, amelyet a (b) fotó szemléltet egymáshoz közel elhelyezett membránokról. A témavilágítási ágba az LC2002 SLM-et, valamint a már használt f=200mm fókuszú, F/5 rekeszértékű Fourier objektívet és az f=29mm, F/2.8 vetítőobjektívet helyeztem el.
Fázisképek számolására alkalmas, a tárgyak holografikus megvilágításán alapuló mérési módszer fejlesztése TV holográfiában tranziens viselkedés vizsgálatára [P4]
Az újdonság az, hogy mind a négy fáziseltolt állapotot bekódolom a hologramba, amit az SLM-nek küldök, és az objektum megvilágítására használom, így a fáziskép kiszámítása 2 felvételből lehetséges (1 deformáció előtt és 1 után). hagyományos 5 (4 deformáció előtt és 1 után). Ez azt jelentette, hogy létrehoztam egy fénytranszformált Fourier fázis hologramot az SLM mért fázismodulációs görbéjéhez. A szemcsés képek pixelenkénti helyes osztályozása érdekében a legfontosabb követelmény, hogy méretük az SLM-be küldött hologramok (H(p,q) és Hmod(p,q)) méretének egész számú többszöröse legyen.
Az a tény, hogy jó minőségű fázisképet kapunk, megerősíti, hogy az SLM fázisváltó eszközként is használható, és a 2π régiót nem kell lefedni a Carré-módszer működéséhez. Ha két állapot közötti fázisképet szeretnénk kiszámítani, akkor a folyamat a következő: elküldjük a hologramot SLM-re (homogén fáziseltolódás), rögzítjük a képet, átállítjuk a hologramot SLM-re (négy állapotú fáziseltolás), majd rögzítjük a kép a vizsgálandó idő után .
Centiméter nagyságrend ű tárgyak elmozdulás mérésének megvalósítása referenciahullám nélküli digitális holografiában [P5]
Ehhez akár két eltolási síkban rögzített intenzitású kép is elegendő lesz, de a gyakorlatban a fenti differenciálegyenlet megoldása igen bonyolult és többféle megközelítést igényel. Ennek szemléltetésére tegyük fel, hogy a koherens fénnyel megvilágított tárgyról szórt hullám intenzitását az optikai tengely mentén két, egymással párhuzamos síkban (A és B) rögzítjük. Általában a koherens fénnyel megvilágított tárgy által kibocsátott hullám intenzitását az optikai tengely mentén több párhuzamos síkban rögzítjük.
Ebben a síkban, amely megegyezik az alábbiak szerint rögzített intenzitású kép síkjával, a kapott komplex amplitúdó fázisrésze megmarad, de az intenzitást a rögzített intenzitás helyettesíti. Ahhoz, hogy az iteráció végén a megszorításokat pontosan kielégítő megoldást kapjunk, érdemes néhány lépésben a Gerchberg-Saxton módszert alkalmazni.
A kamerát egy mechanikus mozgatóra szereltem (3.7-9. ábra), amely 10 µm-es pontossággal 40 mm-es tartományban biztosította az optikai tengely mentén történő mozgást. Leképezés nélküli mérési összeállításban a 40mm*40mm-es objektumról 2x21 képet rögzítettem 1mm-es lépésekkel, 760-780mm kamera-objektum távolságban. A merev testszerű forgást és deformációkat vizsgálva azt tapasztaltam, hogy 800 iterációs lépéssel is csak ~0,15-ös láthatóságot sikerült elérni.
0,01º-os elforgatást modellezve 40 és 2000 iterációs lépésekben számoltam ki a csíkok elmozdulását és láthatóságát 50 pontban kontúrozó intenzitású képet. A komplex amplitúdót 21 szimulált intenzitású képből rekonstruáltuk a deformáció előtt és után 1 mm lépéssel, f=55 mm, F/#=16 leképezéssel 2000 iterációs lépés futtatásával.
Összefoglalás és az eredmények hasznosítása
Ez a fő jellemzője az adaptív mérőrendszereknek, amelyekkel az összehasonlító mérések elvén alapuló automatizált feldolgozást valósítottam meg. Ehhez kidolgoztam az aktív optikai elemek együttes számítógépes vezérlését, az összehasonlító mérések numerikus szimulációját, és optimalizálás révén alkalmassá tettem az SLM-et digitális hologramok kiváló minőségű optikai rekonstrukciójára. Rájöttem, hogy megfelelő holografikus megvilágítással lehetséges a torzítás előtti és utáni felvételből fáziskülönbség kép kiszámítása.
A szimulációk és mérések sorozata bizonyítja, hogy a bemutatott módszer működőképes, és lehetővé teszi a két állapot közötti eltolási mezőhöz tartozó fázisképek jó minőségű kiszámítását tranziens folyamatok időfelbontású mérése során. Az intenzitás-leképezett képek esetében azt tapasztaltam, hogy az iteratív fázisrekonstrukciós algoritmusokat módosítani kell, figyelembe véve a térkép hatását és annak minden síkban korlátozott hullámfront-nyílását.
A tézispontokhoz kapcsolódó tudományos közlemények
További tudományos közlemények
Függelék
Létrehozásához a MATLAB matematikai programrendszert használtam, valamint egy grafikus felhasználói felületet is készítettem a kódhoz (a továbbiakban GUI - Graphical User Interface). A képek teljes elérési útja megadható a szövegmezőben (a képnév és a fájl kiterjesztése is elegendő, ha a programmal azonos mappában vannak), vagy egyszerűbb módszerként a [...] gombra kattintva a mezőktől jobbra a szokásos módon egy felugró ablakban választhatók ki, illetve a tallózható felvételek be- és kiolvashatók. Tárgy éles képének kivágása a hologramról (Cut - tárgykép): A kivágandó kép bal felső és jobb alsó sarkának pixelkoordinátái (egész értékek).
A holografikus intenzitású képet/fázisképet a program a Calculation feliratú gombra kattintva kiszámítja, majd a bal oldali képen megjeleníti. Tárgy éles képének kivágása a szemcseképből (Cut - tárgykép): A kivágandó kép bal felső és jobb alsó sarkának pixelkoordinátái (egész értékek).
Köszönetnyilvánítás
Irodalomjegyzék
Füzessy, “Comparative measurements with digital phase-shift speckle interferometry using holographically generated reference wave,” Opt. Tiziani, "Geometry for contouring by means of interferometry of the electronic speckle pattern based on displaced illumination rays", Appl. Saleh: “Liquid crystal television theory and design as an optical spatial phase modulator” Opt.
Lu: "Determination of the physical properties of an arbitrary twisted-nematic liquid crystal cell" Opt. Franich: "Interferometric phase measurements for polarization eigenvectors in twisted-nematic liquid crystal spatial light modulators" Opt.
