Виртуальная голографическая лаборатория Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 535.421

DOI: 10.33764/2618-981 Х-2019-7-27-31

ВИРТУАЛЬНАЯ ГОЛОГРАФИЧЕСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ

Артём Левонович Пазоев

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры фотоники и приборостроения, тел. (383)291-00-92, e-mail: pazoev-al2018@sgugit.ru

Целью данной работы является создание виртуальной голографической лаборатории, позволяющей синтезировать и обрабатывать дискретные голографические изображения методами компьютерного моделирования. На базе MATLAB созданы основы виртуальной го-лографической лаборатории. Показан интерфейс программы. Приведены примеры голограмм, полученные с помощью этой программы.

Ключевые слова: голограмма, цифровая голография.

VIRTUAL HOLOGRAPHIC LABORATORY

Artem L. Pazoev

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 10, Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russia, Ph. D. Student, Department of Nanosystems and Optotechnics, phone: (383)291-00-92, e-mail: pazoev-al2018@sgugit.ru

The purpose of this paper is to create a virtual holographic laboratory, allowing to synthesize and process discrete holographic images in computer simulation. Based on MATLAB, the foundations of a virtual holographic laboratory have been created. The program interface is shown. Examples of holograms are given.

Key words: hologram, digital holography.

В настоящее время с развитием вычислительной электроники стала возможна цифровая реализация голографических методов. Голограмма - полная запись изображения, включающая в себя как амплитуду, так и фазу световой волны, которая описывает форму поверхности объекта [1].

Целью данной работы является создание виртуальной голографической лаборатории, позволяющей синтезировать и обрабатывать дискретные гологра-фические изображения методами компьютерного моделирования.

В качестве базовой программной среды выбран высокоуровневый язык программирования MATLAB, разработанный специально для работы с матричными (графическими) данными.

На базе MATLAB созданы основы виртуальной голографической лаборатории, программа «Hologram Writing.mlapp». На настоящем этапе программа, может синтезировать по аналитическим выражениям [2, 3] голографические интерференционные картины.

Интерфейс программы «Hologram Writing.mlapp» состоит из 3-х вкладок. Процесс синтеза голографической картины начинается с указания в 1-й и 2-й вкладках программы (рис. 1, а, б) изображений амплитуды и фазы опорной и объектной волны (входные изображения должны иметь одинаковое разрешение).

После ввода входных изображений в 3-й вкладке (рис. 1, в) в полях «Ввод перебираемых значений ...» для каждого из входных изображений вводятся числа (коэффициенты), отражающие толщину голографируемого объекта или уровень наклона опорной волны, оба параметра задаются в количестве длин волн. Так же внизу окна 3-й вкладки можно указать имя папки, в которую будут сохраняться синтезируемые голограммы.

и1 Р|диге СИумкт.. Опорная есонг. .

Амплитуда объекта (АЬ^А)

^ Файл выбран

Выбранное изображение состоит из 1-го слоя

Размер изображения: 1020x1020 пике. В ОЗУ занимает: 7.3376 Мбайт

и ИИ

Фаза объекта (ПА)

С:\3апись гапограммыМприЛ

ПлоскостЫ 020x1020,5=1 :Мт=1 ,Мах=1 ,гпа1

СЛЗапись голограммы\1при1\

Трапеция!020x1020,Объект816х816(357*204+255): 3=2.

^ Файл выбран

Выбранное изображение состоит из 1-го слоя

Размер изображения: 1020x1020 пике. В ОЗУ занимает: 7.5376 Мбайт

||сота (Н)

Количество занятой памяш ОЗУ Рб

а)

X Ш Ндиге

и_

Объект.. Опорная веяна... Преобразование.. Амплитуда опорной волны (ДЬбР?)

Выбрать файл

С:\3апись гагограммыМприЛ

Плоскость1020x1020,3=1,Мт=1 ,Мах=1 ,та1

^ Файл выбран

Выбранное изображение состоит из 1-го слоя

Размер изображения: 1020x1020 пике. В ОЗУ занимает: 7.9376 Мбайт

Фаза опорной волны

Выбрать файл СЛЗапись голограммы\1при1\

ПлоскостьЮ20хЮ20,3=3!М1п=0,Мах=1.та1

^ Файл выбран

Выбранное изображение состоит из 1-го слоя

Размер изображения: 1020x1020 пике. В ОЗУ занимает: 7.9376 Мбайт

асота (Н)

Количество занятой памяти ОЗУ, П>

б) 28

и! Р1диге Объект.-. Опорная веяна...

Выполнено, %

Количество занятой памяти ОЗУ Гб

О 3 16 9 1194

Ввод перебираемых значений множителя амплитуды объекта

Выбор метода ввода значений

1 Список ' Диапазон 1 - 1

Шаг изменения 1

Ввод перебираемых значений множителя фазы абъе(сга

Выбор метода ввода значений

100 Список | Диапазон -

Шаг изменения 1 |

Ввод перебираемых значений множителя амплитуды опорной волны

Выбор метода ввода значений

1 Список ' | Диапазон 1 - 1

Шаг изменения 1 |

Ввод перебираемых значений множителя фазы опорной волны Вы&ор метода ввода значений

101) Список Диапазон -

Шаг изменения 1

Ввод имени папки для сохранения

О Сгенерировать случайное имя

Вычислить

б)

Рис. 1. Интерфейс программы:

а) вкладка ввода амплитуды и фазы объекта; б) вкладка ввода амплитуды и фазы опорной волны; в) вкладка ввода параметров синтезируемой голограммы

После указания всех вводимых значений и нажатия кнопки «Вычислить» программа начнёт синтез голографических изображений, согласно введённым данным. Все вычисленные изображения будут сохраняться в папку с указанным именем. Ниже показаны некоторые тестовые объекты (рис. 2 - призма, рис. 3 -полуцилиндр, рис. 4 - полусфера), а также цифровые голограммы этих объектов (рис. 5), синтезированные при помощи программы «Но^гат"^Ш^.т1арр».

а) б)

Рис. 2. Тестовый объект в виде призмы: а) 2Б вид; б) 3Б вид

а) б)

Рис. 3. Тестовый объект в виде полуцилиндра:

а) 2Б вид; б) 3Б вид

а) б)

Рис. 4. Тестовый объект в виде полусферы:

а) 2Б вид; б) 3Б вид

а) б) в)

Рис. 5. Синтезированные в программе «Но^гат"^Ш^.т1арр» голограммы:

а) от объекта в виде призмы; б) от объекта в виде полуцилиндра; в) от объекта в виде полусферы

По получаемым изображениям удобно исследовать свойства распределений интерференционных полос на цифровых голографических картинах.

Методы голографии всё больше находят применение в науке и технике. Возможность компьютерного моделирования и обработки голографических изображений может в некоторых случаях снизить как временные, так и финансовые затраты на проведение экспериментальных работ.

Главной трудностью работы с голографическими изображениями являются высокие требования к компьютеру, на котором производятся вычисления. Го-лографические изображения больших размерностей, например размера формата

12 13

А4 (210^297 мм) может потребоваться до 10 - 10 пикс. (1 - 10 Тпикс.) на кадр [4], что требует до 100 Тбайт оперативной памяти компьютера. Прямое вычисление таких массивов на обычных компьютерах может занять много вычислительного времени, однако такие компьютерные системы уже существуют, хотя в настоящий момент и не широкодоступны [5].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Шойдин С. А. Моделирование дифракции на объёмных телах в среде Матлаб / С. А. Шойдин. - ГЕО-Сибирь-2012. Т. 4. Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника. Ч. 1 : сб. матер. IV Международной конференции. С. 144-148.

2. Борн, М., Вольф, Э. Основы оптики [Текст] Пер. с англ. Бреус С. Н., Головашки-на А. И., Шубина А. А. / М. Борн, Э. Вольф. - Москва: Издательство «Наука», 1973.

3. Шойдин, С. А. Методы оптической обработки информации: учеб. пособие [Текст] / С. А. Шойдин. - Новосибирск: СГГА, 2008. - 124 с.

4. Шойдин С. А. Расчет оптической схемы голографического запоминающего устройства / С. А. Шойдин, С. И. Соскин // Опт. и спектр. - 1978. - Т. 44. - № 3. С. 566-573.

5. ООО «Тим. Компьютерные системы». Серверы Intel, HPE, Supermicro [Электронный ресурс]. - Режим доступа - URL: http://www.team.ru/ - (Дата обращения: 25.03.2019).

© А. Л. Пазоев, 2019