Спекл-фотография и голографическая интерферометрия с цифровой записью дифракционного поля в Фурье-плоскости

Горбатенко Б.Б., Гребенюк А.А., Максимова Л.А., Перепелицына О.А., Рябухо В. П.

Аннотация:
Рассматриваются методы двухэкспозиционной спекл-фотографии с цифровой записью спекл-структуры дифракционного поля в дальней области дифракции и метод голографической интерферометрии с записью цифровой фурье-голограммы для измерения микросмещений отражающих рассеивающих объектов. Выполнено компьютерное моделирование процессов записи спеклограмм, формирования дифракционных гало с модулирующими интерференционными полосами, отражающими смещение объекта. Показано, что численная нормировка распределения интенсивности в дифракционном гало позволяет увеличить точность измерений. Сравнительный анализ метрологических возможностей рассматриваемых методов показывает более низкий порог чувствительности метода спекл-фотографии по сравнению с методом голографической интерферометрии. Установлено, что нелинейная обработка цифровых спеклограмм, расширяющая дифракционное гало, позволяет существенно снизить порог чувствительности методов. Выполнены натурные эксперименты с использованием цифровых методов спекл-фотографии и голографической интерферометрии с записью дифракционного поля в фурье-плоскости.

Abstract:
Methods of double exposure speckle-photography with digital recording of speckle-pattern of diffraction field in far diffraction area and method of holographic interferometry with recording of digital fourier-hologram for measurement of scattering object micro displacement are considered. Computer simulation of specklegram recording, processes of diffraction halo formations and formation of object image with modulating interference fringes reflecting object displacement is executed. It is shown, that numerical normalization of intensity distribution in diffraction halo allows to increase the measurement accuracy. The comparative analysis of metrological potential of considered methods shows lower threshold of sensitivity for speckle-photography method in comparison with the method of holographic interferometry. It is established, that nonlinear processing of digital specklegram, expanding of diffraction halo, allows essentially lowering a sensitivity threshold of methods. Natural experiments with using digital methods of speckle-photography and holographic interferometry with recording of diffraction field in fourier-plane are executed.

Ключевые слова: спекл-структура, цифровая спекл-фотография, дифракция, дифракционное гало, фурье-спеклограмма, пространственный спектр, цифровая фурье-голография, голографическая интерферометрия.

Key words:speckle-pattern, digital speckle-photography, diffraction, diffraction halo, fourier-specklegram, spatial spectrum, digital fourier-holography, holographic interferometry.

Литература:

  1. Schanrs, U. Direct recording of holograms by a CCD target and numerical reconstruction / U. Schanrs, W. Juptner // Appl. Opt. – 1994. – V. 33. – P. 179-181.
  2. Fomin, N.A. Speckle Photography for Fluid Mechanics Measurements – Springer-Verlag, Berlin, 1998. – 345 p.
  3. Rastogi, P.K. Digital Speckle Pattern Interferometry and Related Techniques – Wiley, 2001. – 245 p.
  4. Журавлев, О.А. Разработка автоматизированного метода исследования вибрационных характеристик энергоустановок / О.А. Журавлев, С.Ю. Комаров, К.Н. По­пов, А.Б. Прокофьев // Компьютерная оптика. – 2001. – № 21. – С. 143-149. – ISSN 0134-2452.
  5. Schnars, U. Digital holography / U. Schnars, W. Jueptner – Springer Verlag, 2004. – 164 p.
  6. Балтийский, С.А. Современные методы цифровой голографии / С.А. Балтийский, И.П. Гуров, С. Де Ни­кола, Д. Коппола, П. Ферраро // Проблемы когерентной и нелинейной оптики; под ред. И.П. Гурова и С.А. Козлова – СПб: СПбГУ ИТМО, 2004. – С. 91-117.
  7. Mironova, T.V. Digital photography in measurements of shifts of object surfaces with formation of the speckle structure in white light / T.V. Mironova, T.T. Sultanov, V.A. Zubov // Journal of Russian Laser Research. – 2004. – V. 25, N 6. – P. 493-508.
  8. Baltiysky, S. Characterization of microelectromechanical systems by the digital holography method / S. Baltiysky, I. Gurov, S. De Nicola, P. Ferraro, A. Finizio, G. Coppola // The Imaging Science Journal. – 2006. – V. 54, N 2. – P. 103-110.
  9. Разумовский, И.А. Интерференционно-оптические методы механики деформируемого твердого тела / И.А. Ра­зумовский – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Бау­мана, 2007. – 240 с.
  10. Laser speckle and related phenomena. Topics in Applied Physics / Ed. J.C. Dainty. V. 9. – Berlin: Springer-Verlag, 1975. – 286 p.
  11. Островский, Ю.И. Голографическая интерферометрия / Ю.И. Островский, М.М. Бутусов, Г.В. Остро­вская – М.: Наука, 1977. – 336 с.
  12. Клименко, И.С. Голография сфокусированных изображений и спекл-интерферометрия / И.С. Кли­менко – М.: Наука, 1985. – 224 с.
  13. Джоунс, Р. Голографическая и спекл-интерферомет­рия / Р. Джоунс, К. Уайкс; пер. с англ. – М.: Мир, 1986. – 328 с.
  14. Вест, Ч. Голографическая интерферометрия / Ч. Вест; пер. с англ. – М.: Мир, 1982. – 504 с.
  15. Островский, Ю.И. Голографические интерференционные методы измерения деформаций / Ю.И. Ос­тровский, В.П. Щепинов, В.В. Яковлев – М.: Наука, 1988. – 248 с.
  16. Holographic interferometry. Principles and methods. Springer Series in Optical Sciences / Ed. P.K. Rastogi – V. 68. – Berlin: Springer-Verlag, 1995. – 328 p.
  17. Горбатенко, Б.Б. Реконструкция изображения по пространственному распределению интенсивности дифракционного спекл-модулированного поля / Б.Б. Гор­батенко, Л.А. Максимова, В.П. Рябухо, Ю.В. Норов // Компьютерная оптика. – 2007. – Т. 31, № 2. – С. 26-33. – ISSN 0134-2452.
  18. Рябухо, В.П. Цифровая голография с виртуальной опорной волной / В.П. Рябухо, Б.Б. Горбатенко, Л.А. Мак­симова // Известия Саратовского государственного университета. Новая серия. Серия Физика. –2008. – В. 2. – С. 11-23.
  19. Горбатенко, Б.Б. Восстановление голограммной струк­туры по цифровой записи фурье-спеклограммы / Б.Б. Гор­батенко, Л.А. Максимова, В.П. Рябухо // Оптика и спектроскопия. – 2009. – Т. 106, № 2. – С. 321-328. – ISSN 0030-4034.
  20. Горбатенко, Б.Б. Пространственный спектр (дифракционное гало) фурье-спеклограммы рассеивающего объекта / Б.Б. Горбатенко, А.А. Гребенюк, Л.А. Мак­симова, В.П. Рябухо // Компьютерная оптика. – 2009. – Т. 33, № 1. – С. 43-51. – ISSN 0134-2452.
  21. Гудмен, Дж. Статистическая оптика / Дж. Гудмен; пер. с англ. – М.: Мир, 1988. – 528 с. (J.W. Goodman. Statistical optics / John Wiley & Sons. New York, 1985)
  22. Goodman, J.W. Speckle Phenomena in Optics: Theory and Applications / J.W. Goodman – Roberts & Company, Publishers, Englewood, CO, 2006. – 387 p.
  23. Кольер, Р. Оптическая голография / Р. Кольер, К. Бер­кхарт, Л. Лиин – М.: Мир, 1973. – 688 с.
  24. Гудмен, Дж. Введение в фурье-оптику / Дж. Гудмен; пер. с англ. – М.: Мир, 1970. – 364с.
  25. Франсон, М. Оптика спеклов/ М. Франсон; пер. с англ. – М.: Мир, 1980. – 171 с.
  26. Клименко, И.С. Об особенностях получения и интерпретации спекл-интерферограмм смещаемых объектов / И.С. Клименко, В.П. Рябухо // ЖТФ. – 1982. – Т. 52, В. 5. – C. 896-900.
  27. Осипов, М.Н. Применение кольцевой апертурной диафрагмы в спекл-интерферометрии / М.Н. Осипов, М.Ю. Шапошников // Компьютерная оптика. – 2002. – В. 24. – С. 110-113. – ISSN 0134-2452
  28. Борн, М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф; пер. с англ.; под ред. Г.П. Мотулевич. – 2-е изд. – М.: Наука, 1973. – 720 с.
  29. Клименко, И.С. К сравнению чувствительности и точности методов голографической и спекл-интерфе­ро­мет­рии при регистрации в фурье-плоскости / И.С. Кли­менко, В.П. Рябухо, Б.В. Федулеев // Оптика и спектроскопия. – 1986. – Т. 61, В. 5. – С. 1118-1123. – ISSN 0030-4034.
  30. Klimenko, I.S. Comparison of the sensitivity and accuracy of holography and speckle interferometry with Fourier-plane recording / I.S. Klimenko, V.P. Ryabukho, B.V. Fe­duleev // Selected Papers on "Speckle metrology", SPIE Milestone Series, 1991. – Vol. MS35. – P. 425-429.
  31. Оппенгейм А.В. Цифровая обработка сигналов / А.В. Оппенгейм, Р.В. Шафер; пер. с англ.; под ред. С.Я. Шаца. – М.: Связь, 1979. – 416 с.

References:

  1. Schanrs, U. Direct recording of holograms by a CCD target and numerical reconstruction / U. Schanrs, W. Juptner // Appl. Opt. – 1994. – V. 33. – P. 179-181.
  2. Fomin, N.A. Speckle Photography for Fluid Mechanics Measurements – Berlin: Springer-Verlag, 1998. – 345 p.
  3. Rastogi, P.K. Digital Speckle Pattern Interferometry and Related Techniques – Wiley, 2001. – 245 p.
  4. Zhuravlev, O.A. Development of the automated method of research of vibrating characteristics of power installations / O.A. Zhuravlev, S.Yu. Komarov, K.N. Popov, A.B. Pro­kof’ev. // Computer Optics. – 2001. – No 21. – P. 143-149. – ISSN 0134-2452. – (in Russian).
  5. Schnars, U. Digital holography / U. Schnars, W. Jueptner – Berlin: Springer-Verlag, 2004. – 164 p.
  6. Baltiysky, S.А. Modern methods of digital holography / S. Baltiysky, I. Gurov, S. De Nicola, G. Coppola, P. Fer­raro / Problems of coherent and nonlinear optics. Ed. I.P. Gurov and S.А. Kozlov. – SPb: SPb GU ITMO, 2004. – P. 91-117. – (in Russian).
  7. Mironova, T.V. Digital photography in measurements of shifts of object surfaces with formation of the speckle structure in white light / T.V. Mironova, T.T. Sultanov, V.A. Zubov // Journal of Russian Laser Research. – 2004. – V. 25, N 6. – P. 493-508.
  8. Baltiysky, S. Characterization of microelectromechanical systems by the digital holography method / S. Baltiysky, I. Gurov, S. De Nicola, P. Ferraro, A. Finizio, G. Coppola // The Imaging Science Journal. – 2006. – V. 54, N 2. – P. 103-110.
  9. Razumovskiy, I.А. Interference-optical methods of mechanics of deformable solid body / I.А. Razumovskiy - М.: MGTU named after N.E. Bauman, 2007. - 240 p. - (in Russian).
  10. Laser speckle and related phenomena. Topics in Applied Physics / Ed. J.C. Dainty. V. 9. – Berlin: Springer-Verlag, 1975. – 286 p.
  11. Ostrovskiy, Yu.I. Interferometry by Holography / Yu.I. Ostrovskiy, М.М. Butusov, G.V. Ostrovskaya. - Berlin and New York: Springer-Verlag, 1980. – 330 p.
  12. Klimenko, I.S. Holography of focused images and speckle interferometry – М.: Science, 1985. – 224 p. – (in Russian).
  13. Jones, R. Holographic and speckle interferometry / R. Jones, C. Wykes. – Cambridge University Press, 1983. – 330 p.
  14. Vest, C. Holographic interferometry – Wiley, 1979. – 504 p.
  15. Ostrovskiy, Yu.I. Holographic interferometry in experimental mechanics / Yu.I. Ostrovskiy, V.P. Shchepinov, V.V. Yakovlev. – Springer Series in Optical Sciences, Vol. 60. Edited by Theodor Tamir. – Berlin: Springer-Ver­lag, 1991. – 248 p. – ISBN 3-540-52604-8.
  16. Holographic interferometry. Principles and methods. Springer Series in Optical Sciences / Ed. P.K. Rastogi – V. 68. – Berlin: Springer-Verlag, 1995. – 328 p.
  17. Gorbatenko, B.B. Reconstruction of image from spatial distribution of intensity of diffraction speckle-modulated field / B.B. Gorbatenko, L.A. Maksimova, V.P. Ryabukho, Yu.V. Norov // Computer Optics. – 2007. – V. 31, No 2. – P. 26-33. – ISSN 0134-2452. – (in Russian).
  18. Ryabukho, V.P. Digital optical holography with virtual reference wave / V.P. Ryabukho, B.B. Gorbatenko, L.A. Maksimova // Vestnik Saratovskogo Universiteta. – 2008. – № 2. – P. 11-23. – (in Russian).
  19. Gorbatenko, B.B. Reconstructing of spatial phase distributions and object images from speckle intensity patterns of the diffraction field / B.B. Gorbatenko, V.P. Ryabukho, L.A. Maksimova, // Optics and Spectroscopy. – 2006. – Vol. 101, No 5. – P. 811–815.
  20. Gorbatenko, B.B. Spatial spectrum (diffraction halo) of fourier-specklegram of scattering object / B.B. Gorbaten­ko, A.A. Grebenyuk, L.A. Maksimova, V.P. Ryabukho // Computer Optics. – 2009. – V. 33, No 1. – P. 43-51. – ISSN 0134-2452. – (in Russian).
  21. Goodman, J.W. Statistical optics – Wiley, 2000. – 567 p.
  22. Goodman, J.W. Speckle Phenomena in Optics: Theory and Applications – Roberts & Company, Publishers, Englewood, CO, 2006. – 387 p.
  23. Collier, R. Optical Holography / R. Collier, C. Burckhardt, L. Lin – New York; London: Academic Press, 1971. – 688 p.
  24. Goodman, J.W. Introduction to Fourier Optics – 2ed., - McGraw-Hill, 1996. – 457 p.
  25. Franon, М. La granularute laser (spekle) et ses applications en optique – Paris-New York-Barcelone-Milan: Masson, 1978. – 171 p.
  26. Klimenko, I.S. About features of formation and interpretation of speckle-interferogram of shifting object / I.S. Kli­menko, V.P. Ryabukho // Journal of Technical Physics. – 1982. – V. 52, Issue 5. – P. 896-900. – (in Russian).
  27. Osipov, М.N. Application of ring aperture diaphragm in speckle-interferometry / М.N. Osipov, М.Yu. Shaposhni­kov // Computer Optics. – 2002. – V. 24. – P. 110-113. – ISSN 0134-2452. – (in Russian).
  28. Born, М. Principles of Optics / М. Born, E. Wolf. – Cambridge, 2002. – 994 p.
  29. Klimenko, I.S. To comparison of sensitivity and accuracy of methods of holographic and speckle-interferometry at registration in fourier-plane / I.S. Klimenko, V.P. Ryabuk­ho, B.V. Feduleev // Optics and Spectroscopy. – 1986. – V. 61, Issue 5. – P. 1118-1123. – ISSN 0030-4034. – (in Russian).
  30. Klimenko, I.S. Comparison of the sensitivity and accuracy of holography and speckle interferometry with Fourier-plane recording / I.S. Klimenko, V.P. Ryabukho, B.V. Feduleev // Selected Papers on "Speckle metrology". SPIE Milestone Series. 1991. – Vol. MS35. – P. 425-429.
  31. Oppenheim, A.V. Digital signal processing / A.V. Op­penheim, R.W. Schafer – Prentice-Hall, Inc.: Englewood Cliffs, New Jersey, 1975. – 416 p.

© 2009, ИСОИ РАН
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846 2) 332-56-22, факс: +7 (846 2) 332-56-20