CC BY
1
Цифровая цветная голография с непосредственной регистрацией на
матрицу фотоприемников
В.И. Гужов, К.В. Захаров, О.В. Чернов Новосибирский государственный технический университет
Аннотация: Рассматривается метод регистрации голограмм с помощью современных цифровых камер. Для регистрации голограмм, полученных в оптических установках с наклонным опорным пучком, требуется высокое разрешение систем регистрации. Для этого необходимо использовать фотографические среды с разрешением 2000-4000 линий на мм. Использование фотопластинок требует достаточно большого времени на экспозицию и проявку (10-20 минут). В случае систем голографической интерферометрии необходимо предусмотреть установку голограммы обратно в оптическую установку с достаточно большой точностью. В последнее время появились сенсоры с размером одного элемента 0,86 мкм и числом элементов 60 Мп. Такое разрешение позволяет вернуться к схемам регистрации с углами между интерферирующими пучками 15-30 градусов. Восстановление изображения из голограммы осуществляется на компьютере. Это значительно снижает требования к используемым аппаратным ресурсам и расширяет возможности голографии. В статье показана возможность получения цветных изображений при использовании лазеров с разными длинами волн.
Ключевые слова: цифровая голография, фото матрицы с высоким пространственным разрешением, голография с наклонным опорным пучком, преобразование Фурье
Голографические картины (голограммы) образуются в результате интерференции двух волн: объектной, отраженной от исследуемого объекта и некоторой известной опорной волны. Для регистрации голограмм используется оптическая схема, впервые описанная Э. Лейтом и Ю. Упатниексом [1-4]. Для разделения дифракционных пучков при восстановлении изображений из голограммы требуется, чтобы угол между интерферирующими пучками составлял около 15-60 градусов [5]. Для этого необходимо пространственное разрешение регистрирующих материалов от 0,5 до 1,3 мкм. В [6] нами была показана возможность регистрации голограмм и восстановления изображений при использовании КМОП-сенсора фирмы SONY с размером одного элемента 1,3 мкм х 1,3 мкм. Число элементов 48 миллионов пикселей (8000 х 6000). Размер сенсора 6,4 х4,8 мм.
Однако использование таких матриц имеет ряд ограничений. Наиболее существенное связано с дебайеризацией зарегистрированных изображений. В этих матрицах для получения цветных изображений используется биннинг пикселей (рис. 1). На каждые четыре элемента накладывается один цветовой фильтр (на область 2х2 элемента) (рис. 1).
Рис. 1. - Наложение цветовых фильтров на области 2х2 пикселя (Quad Bayer) Для получения значений RGB в каждой точке используются различные математические алгоритмы (алгоритмы дебайеризации), которые используют информацию о соседних областях с фильтрами разных цветов [7-10]. Однако в результате пересчета возникают проблемы, связанные с ошибками при определении интенсивности в каждой точке и при восстановлении изображений из голограмм возникают ложные изображения (рис. 2). На рисунке видны действительные и мнимые изображения вместе с двойниками, возникающими от неправильного пересчета.
Рис. 2. - Восстановленные из голограммы действительное и мнимое изображения и их двойники
Алгоритмы определения исходных значений RGB обычно не приводится производителями в описании матриц, поэтому для ввода голограмм лучше использовать камеры, в которых предусмотрены способы коррекции ошибок, возникающих в результате дебайеризации.
В данной статье использовалась камера Panasonic с матрицей 60 Мп с размером 7,7х5,8 мм (9000х6752) и размером одного элемента 0,86 мкм х 0,86 мкм.
Для записи голограмм использовались полупроводниковые лазеры с двумя длинами волн. На рис. 3 показаны изображения, восстановленные из голограмм, полученных при освещении объекта лазерами с красной (одночастотный лазер с узкой спектральной линией 671 нм) и зелёной длиной волны (532 нм).
Для восстановления использовался алгоритм быстрого преобразования Фурье для изображений с произвольными размерами [7].
Рис. 3. - Восстановленные изображения из голограмм, полученных при
красном цвете и зеленом Для компенсации искажения геометрических размеров и для наложения изображений использовался свободно распространяемый графический редактор Paint.net (рис. 4)
Рис. 4. - Получение цветного изображения из двух голограмм
На рисунке слева направо исходный объект, изображения, восстановленные из голограмм, полученных при освещении лазером с красной и зеленой длиной волны, результирующее цветное изображение.
Выводы
Следует отметить основные преимущества использования записи голограмм с помощью электронных фото матриц.
Использование аналоговых фоторегистрирующих средств требует достаточно длительного времени для записи 10-20 мин. При этом необходимо использовать специальные виброзащищенные столы. Кроме того, проявление и закрепление является химическим процессом и требует специальных навыков.
Для записи непосредственно на фото матрицы используются электронные затворы, время срабатывания, которых от 1/50 сек до 1/100000 сек. Поэтому требования к виброизоляции значительно снижаются. В большинстве камер предусмотрен прямой доступ в компьютер. Поэтому время обработки значительно снижается.
Время восстановления голограмм (расшифровка с помощью Фурье-преобразования) на центральном процессоре занимает около 3,7 сек при размерах 4096х4096 и может быть значительно сокращена при расшифровке с помощью графических ускорителей (до 0.1 сек).
К недостаткам можно отнести пока еще недостаточное разрешение современных фото матриц для получения качественных голографических изображений.
Работа проводилась при поддержке гранта Российского научного фонда № 24-29-00006 «Разработка методов цифровой голографической интерферометрии».
Литература
1. Leith E. N., Upatnieks J. Reconstructed wavefronts and communication theory // Journal of the Optical Society of America. 1962. Vol. 52. pp. 1123-1130.
2. Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. - Москва: Мир, 1973. - 686 с.
3. Оптическая голография /Под ред. Г. Колфилда: в 2 т. - Москва: Мир, 1982, 735 с.
4. Миллер М. Голография. - Л.: Машиностроение, 1979, 140 с.
5. Гужов В.И. Компьютерная голография: Монография. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2018. (ISBN: 978-5-8114-3410-7), 270 с.
6. Гужов В.И., Захаров К.В., Чернов О.В. Регистрация голограмм с наклонным опорным пучком с помощью современных фотоматриц // Инженерный вестник Дона. 2023. № 9. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n9y2023/8673.
7. Chatterjee N., Dhole A. Analysis of image demosaicking algorithms.-International Journal of Innovative Research in Computer and Communication Engineering. 2014. Vol. 2, Issue 5, pp. 4158-3164.
8. Jim S. Jimmy Li, and Sharmil Randhawa Color Filter array demosaicking using high-order interpolation techniques with a weighted median filter for sharp color edge preservation. IEEE transactions on image processing, 2009. VOL. 18, № 9, pp. 1946 - 1957.
М Инженерный вестник Дона, №9 (2024) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n9y2024/9473
9. Chatterjee N., Dhole A. Novel alogorithm for color image demosaicing using laplacian mask. - IJRET: International Journal of Research in Engineering and Technology. 2014. -Vol.: 03, Issue: 11, pp.387-391.
10. Гужов В.И., Ильиных С.П., Андрющенко Е.В. Алгоритм быстрого преобразования Фурье для восстановления изображений из голограмм, зарегистрированных с помощью фотоматриц произвольного размера // Системы анализа и обработки данных. 2024. № 1 (93). С. 71-80. DOI: 10.17212/2782-2001 -2024-1-71-81
References
1. Leith E. N., Upatnieks J. Reconstructed wavefronts and communication theory Journal of the Optical Society of America. 1962. Vol. 52. pp. 1123-1130.
2. Collier R., Burckhardt C., Lin L. Opticheskaya golografya [Optical holography]: Moskva: MIR Publishing, 1973, 686 p.
3. Caulfield H. Opticheskaya golografya [Handbook of optcal holography]: 2 vol, Moskva: MIR Publishing, 1982, 735 p.
4. Miler M. Golografya [Holography]: Leningrad: Mashinostroenie, 1979, 140 p
5. Guzhov V.I. Kompyuternaya golografya [Computer holography]: Monographia. Novosibirsk: NSTU Publishing, 2018. 270p. ISBN: 978-58114-3410-7.
6. Guzhov V.I., Zakharov K.V., Chernov O.V. Inzheneryj vestnik Dona. 2023. № 9. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n9y2023/8673.
7. Chatterjee N., Dhole A. International Journal of Innovative Research in Computer and Communication Engineering. 2014. Vol. 2, Issue 5, pp. 41583164.
8. Jim S. Jimmy Li, and Sharmil Randhawa IEEE transactions on image processing, 2009. VOL. 18, № 9, pp. 1946 - 1957.
9. Chatterjee N., Dhole A. IJRET: International Journal of Research in Engineering and Technology. 2014. Vol.: 03, Issue 11, pp. 387-391.
М Инженерный вестник Дона, №9 (2024) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n9y2024/9473
10.Guzhov V.I., Il'inykh S.P., Andryushchenko Ye.V. Sistemy analiza i obrabotki dannykh. 2024. № 1 (93). pp. 71-80. DOI: 10.17212/2782-2001-2024-1-71-81
Дата поступления: 8.07.2024 Дата публикации: 17.08.2024
