Ćwiczenie 3. Koherentne korelatory optyczne

Podobne dokumenty
Laboratorium Informatyki Optycznej ĆWICZENIE 2. Koherentne korelatory optyczne i hologram Fouriera

Ćwiczenie 9 Y HOLOGRAM. Punkt P(x,y) emituje falę sferyczną o długości, której amplituda zespolona w płaszczyźnie hologramu ma postać U R exp( ikr)

ĆWICZENIE 5. HOLOGRAM KLASYCZNY TYPU FRESNELA

Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii. Ćwiczenie 6. Badanie właściwości hologramów

Ćwiczenie H2. Hologram Fresnela

Rys. 1 Geometria układu.

Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii. Ćwiczenie 4. Badanie optycznej transformaty Fouriera

Rejestracja i rekonstrukcja fal optycznych. Hologram zawiera pełny zapis informacji o fali optycznej jej amplitudzie i fazie.

Laboratorium Informatyki Optycznej ĆWICZENIE 3. Dwuekspozycyjny hologram Fresnela

Rys. 1 Schemat układu obrazującego 2f-2f

Ćwiczenie 12. Wprowadzenie teoretyczne

Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii. Ćwiczenie 3. Częstotliwości przestrzenne struktur okresowych

PROPAGACJA PROMIENIOWANIA PRZEZ UKŁAD OPTYCZNY W UJĘCIU FALOWYM. TRANSFORMACJE FAZOWE I SYGNAŁOWE

Ćwiczenie 11. Wprowadzenie teoretyczne

Ćwiczenie 12/13. Komputerowy hologram Fouriera. Wprowadzenie teoretyczne

LABORATORIUM Z FIZYKI

Laboratorium Optyki Falowej

17. Który z rysunków błędnie przedstawia bieg jednobarwnego promienia światła przez pryzmat? A. rysunek A, B. rysunek B, C. rysunek C, D. rysunek D.

Mikroskop teoria Abbego

Laboratorium Informatyki Optycznej ĆWICZENIE 1. Optyczna filtracja sygnałów informatycznych

OPTYKA GEOMETRYCZNA I INSTRUMENTALNA

Ćwiczenie 42 WYZNACZANIE OGNISKOWEJ SOCZEWKI CIENKIEJ. Wprowadzenie teoretyczne.

Laboratorium Informatyki Optycznej ĆWICZENIE 7. Hologram gruby widoczny w zakresie 360

LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE. Ćwiczenie nr 3 Temat: Wyznaczenie ogniskowej soczewek za pomocą ławy optycznej.

Opis matematyczny odbicia światła od zwierciadła kulistego i przejścia światła przez soczewki.

- 1 - OPTYKA - ĆWICZENIA

Laboratorium Informatyki Optycznej ĆWICZENIE 5. Sprzęganie fazy

Optyka Fourierowska. Wykład 7 Filtracja przestrzenna

Ćwiczenie: "Zagadnienia optyki"

ĘŚCIOWO KOHERENTNYM. τ), gdzie Γ(r 1. oznacza centralną częstotliwość promieniowania quasi-monochromatycznego.

Rys. 1 Pole dyfrakcyjne obiektu wejściowego. Rys. 2 Obiekt quasi-periodyczny.

Ćwiczenie 3. Wybrane techniki holografii. Hologram podstawy teoretyczne

POMIARY OPTYCZNE 1. Wykład 1. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Optyka. Wykład XI Krzysztof Golec-Biernat. Równania zwierciadeł i soczewek. Uniwersytet Rzeszowski, 3 stycznia 2018

20. Na poniŝszym rysunku zaznaczono bieg promienia świetlnego 1. Podaj konstrukcję wyznaczającą kierunek padania promienia 2 na soczewkę.

Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii. Ćwiczenie 2. Dyfrakcja światła w polu bliskim i dalekim

34 OPTYKA GEOMETRYCZNA. CZĘŚĆ 1

Interferometr Macha-Zehndera. Zapis sinusoidalnej siatki dyfrakcyjnej i pomiar jej okresu przestrzennego.

Optyka stanowi dział fizyki, który zajmuje się światłem (także promieniowaniem niewidzialnym dla ludzkiego oka).

Wyznaczanie ogniskowej soczewki za pomocą ławy optycznej

Zwierciadło kuliste stanowi część gładkiej, wypolerowanej powierzchni kuli. Wyróżniamy zwierciadła kuliste:

Wykład XI. Optyka geometryczna

Badanie zjawisk optycznych przy użyciu zestawu Laser Kit

Prawa optyki geometrycznej

Materiały pomocnicze 14 do zajęć wyrównawczych z Fizyki dla Inżynierii i Gospodarki Wodnej

WSTĘP DO OPTYKI FOURIEROWSKIEJ

Rodzaje obrazów. Obraz rzeczywisty a obraz pozorny. Zwierciadło. Zwierciadło. obraz rzeczywisty. obraz pozorny

35 OPTYKA GEOMETRYCZNA. CZĘŚĆ 2

Pomiar długości fali świetlnej i stałej siatki dyfrakcyjnej.

Ćwiczenie 2. Wyznaczanie ogniskowych soczewek cienkich oraz płaszczyzn głównych obiektywów lub układów soczewek. Aberracje. Wprowadzenie teoretyczne

Zjawisko interferencji fal

falowego widoczne w zmianach amplitudy i natęŝenia fal) w którym zachodzi

ĆWICZENIE 6. Hologram gruby

Ćwiczenie 2. Wyznaczanie ogniskowych soczewek cienkich oraz płaszczyzn głównych obiektywów lub układów soczewek. Aberracje. Wprowadzenie teoretyczne

ODWZOROWANIE I PRZETWARZANIE SYGNAŁU OPTYCZNEGO W OŚWIETLENIU KOHERENTNYM

SCENARIUSZ LEKCJI Temat lekcji: Soczewki i obrazy otrzymywane w soczewkach

WSTĘP DO OPTYKI FOURIEROWSKIEJ

Optyka. Wykład X Krzysztof Golec-Biernat. Zwierciadła i soczewki. Uniwersytet Rzeszowski, 20 grudnia 2017

Ćwiczenie 4. Część teoretyczna

Załamanie na granicy ośrodków

Pomiar ogniskowych soczewek metodą Bessela


LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE

Fala jest zaburzeniem, rozchodzącym się w ośrodku, przy czym żadna część ośrodka nie wykonuje zbyt dużego ruchu

pobrano z serwisu Fizyka Dla Każdego zadania z fizyki, wzory fizyczne, fizyka matura

Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii. Ćwiczenie 1. Przestrzenna filtracja szumu optycznego

- pozorny, czyli został utworzony przez przedłużenia promieni świetlnych.

Ćw.6. Badanie własności soczewek elektronowych

Ć W I C Z E N I E N R O-3

Ćwiczenie 53. Soczewki

f = -50 cm ma zdolność skupiającą

Optyka geometryczna - 2 Tadeusz M.Molenda Instytut Fizyki, Uniwersytet Szczeciński. Zwierciadła niepłaskie

autor: Włodzimierz Wolczyński rozwiązywał (a)... ARKUSIK 33 OPTYKA GEOMETRYCZNA. CZĘŚĆ 1. ZWIERCIADŁA

Soczewki. Ćwiczenie 53. Cel ćwiczenia

+OPTYKA 3.stacjapogody.waw.pl K.M.

ZADANIE 111 DOŚWIADCZENIE YOUNGA Z UŻYCIEM MIKROFAL

Soczewkami nazywamy ciała przeźroczyste ograniczone dwoma powierzchniami o promieniach krzywizn R 1 i R 2.

Przyrząd słuŝy do wykonywania zasadniczych ćwiczeń uczniowskich z optyki geometrycznej.

Dr Piotr Sitarek. Instytut Fizyki, Politechnika Wrocławska

LABORATORIUM OPTYKI GEOMETRYCZNEJ

Piotr Targowski i Bernard Ziętek WYZNACZANIE MACIERZY [ABCD] UKŁADU OPTYCZNEGO

BADANIE I ACHROMATYZACJA PRĄŻKÓW INTERFERENCYJNYCH TWORZONYCH ZA POMOCĄ ZWIERCIADŁA LLOYDA

POMIAR ODLEGŁOŚCI OGNISKOWYCH SOCZEWEK

OPTYKA GEOMETRYCZNA Własności układu soczewek

Obrazowanie w świetle quasi-monochromatycznym, niekoherentnym przestrzennie dodają się natężenia.

Najprostszą soczewkę stanowi powierzchnia sferyczna stanowiąca granicę dwóch ośr.: powietrza, o wsp. załamania n 1. sin θ 1. sin θ 2.

Różne sposoby widzenia świata materiał dla ucznia, wersja z instrukcją

SCENARIUSZ LEKCJI Z WYKORZYSTANIEM TIK

ĆWICZENIA LABORATORYJNE Z KONSTRUKCJI METALOWCH. Ć w i c z e n i e H. Interferometria plamkowa w zastosowaniu do pomiaru przemieszczeń

Laboratorium techniki światłowodowej. Ćwiczenie 3. Światłowodowy, odbiciowy sensor przesunięcia

OPTYKA GEOMETRYCZNA I INSTRUMENTALNA

Wyznaczanie ogniskowych soczewek cienkich oraz płaszczyzn głównych obiektywów lub układów soczewek. Aberracje.

OPTYKA GEOMETRYCZNA I INSTRUMENTALNA

WYZNACZANIE DŁUGOŚCI FALI ŚWIETLNEJ ZA POMOCĄ SIATKI DYFRAKCYJNEJ

ODWZOROWANIE W OŚWIETLENIU KOHERENTNYM

Podstawy Fizyki IV Optyka z elementami fizyki współczesnej. wykład 17, Mateusz Winkowski, Łukasz Zinkiewicz

Interferencja. Dyfrakcja.

Fizyka elektryczność i magnetyzm

POMIAR APERTURY NUMERYCZNEJ

Transkrypt:

Ćwiczenie 3 Koherentne korelatory optyczne 1. Wprowadzenie Historycznie jednym z waŝniejszych zastosowań korelatorów optycznych było rozpoznawanie obrazów, pozwalały np. na analizę zdjęć lotniczych lub klasyikację zdjęć rentgenowskich. Zadaniem układu jest rozpoznanie symbolu w sprawdzanym przeźroczu. Aby korelator mógł rozpoznać symbol konieczne jest wcześniejsze wykonanie iltru dopasowanego, który w praktyce jest niczym innym jak hologramem Fouriera. 1.1 Hologram Fouriera Zamiast rejestrować wprost alę ugiętą i odbitą od obiektu moŝna rejestrować na hologramie jego widmo Fouriera. Widmo Fouriera obiektu jest w ogólności unkcją zespoloną. Rejestrując więc widmo Fouriera w sposób holograiczny zapisujemy jego amplitudę, a takŝe azę. W ten sposób moŝemy zachować pełną inormację o obiekcie. Transormację Fouriera w układzie optycznym moŝemy łatwo przeprowadzić przy uŝyciu pojedynczej cienkiej soczewki. 1.1.1 Rejestracja hologramu Fouriera Ogólna teoria zapisu amplitudy i azy na hologramie została przedstawiona w opisie ćwiczenia nr 2. W przypadku zapisu hologramu Fouriera zapisujemy po prostu widmo obiektu. W tym miejscu warto jednak podkreślić, Ŝe obiekt ten musi być płaski (2 - wymiarowy). W przypadku obiektu przestrzennego - trójwymiarowego - nie moŝemy jednoznacznie określić płaszczyzny, w której powstaje widmo Fouriera. JeŜeli przedmiot traktujemy jako zbiór punktów o róŝnych amplitudach, to w płaszczyźnie Fouriera reprezentuje go zbiór al płaskich, które mają róŝne amplitudy (patrz własności transormaty Fouriera) i propagują się w róŝnych kierunkach. W płaszczyźnie hologramu mamy więc zbiór al płaskich o róŝnych amplitudach U m oraz róŝnych stałych propagacji α m i β m (1)., Po dodaniu płaskiej ali odniesienia na hologramie zapisany zostanie rozkład natęŝenia opisany wzorem (2) Przykładowy układ do rejestracji hologramu Fouriera przedstawia rysunek 1. (1) (2) Strona 1 z 6

2 UWAGA: Na rysunku nie jest zachowany warunek równości dróg optycznych 1 L Rys. 1. Schemat układu do rejestracji hologramu Fouriera W układzie widocznym na rys. 1 zapisywane jest widmo Fouriera obiektu przeźroczystego. Wiązka światła wchodząca do układu jest dzielona na półprzepuszczalnym zwierciadle Z 1. W tym miejscu zostaje wydzielona wiązka odniesienia, która po odbiciu od zwierciadła Z 2 oświetla kliszę holograiczną. Pozostała część światła, która przenika zwierciadło Z 1 oświetla płaski obiekt Ob. W odległości od obiektu umieszczona jest soczewka L (o ogniskowej równej ). Dalej - w odległości za soczewką - znajduje się klisza holograiczna. Tak więc, dzięki soczewce L, w płaszczyźnie kliszy pojawia się widmo Fouriera obiektu. W tym przypadku naleŝy pamiętać o dokładnym ustawieniu układu -, poniewaŝ na hologramie zapisuje się równieŝ aza transormaty Fouriera. 1.1.2 Odtworzenie hologramu Fouriera Odtworzenie hologramu Fouriera moŝna przeprowadzić w układzie zaprezentowany na rysunku. Rys. 2. Układ do odtworzenia hologramu Fouriera Oświetlony alą płaską hologram umieścić w odległości od soczewki L o ogniskowej. W odległości za soczewką - w płaszczyźnie obserwacji - umieścić ekran E. Podczas odtwarzania tworzą się dwa obrazy rzeczywiste widoczne na ekranie. Obraz wtórny jest odwrócony względem obrazu pierwotnego w odtworzeniu pierwszy człon równania (2), po wykonaniu operacji transormacji Fouriera przez soczewkę L, tworzy w centrum ekranu autokorelację. W rezultacie centralny rozkład pola jest dwa razy szerszy od obrazu. Strona 2 z 6

Inną metodą na odtworzenie hologramu Fouriera jest wykorzystanie układu do skalowania widma. Taka koniguracja jest wygodniejsza w przypadku, gdy kąt wiązki odniesienia był duŝy, a do dyspozycji mamy soczewki o niewielkich aperturach. Rys. 3. Układ do odtworzenia hologramu Fouriera z przeskalowaniem widma 1.1.3 Rejestracja hologramu quasi Fouriera W odniesieniu do tego typu hologramu stosowane są dwie nazwy - bezsoczewkowy hologram Fouriera i hologram quasi-fouriera Przymiotnik quasi (znaczący: w pewnym sensie lub stopniu), wydaje się być bardziej właściwy. Na hologramie nie pojawia się transormata Fouriera rozkładu pola świetlnego obiektu. JednakŜe po odtworzeniu hologramu obserwujemy odtworzone obrazy tak jak w przypadku tradycyjnego hologramu Fouriera. Oko ludzkie reaguje jedynie na natęŝenie światła. Tak więc hologramy Fouriera oraz quasi-fouriera dają identyczne wyniki dotyczące natęŝenia światła w odtwarzanych obrazach, natomiast rozkłady azy w tych obrazach są juŝ zupełnie inne. Układ do rejestracji hologramu quasi Fouriera przedstawiono na rysunku 4. Odniesienie S Hologram P Obiekt Rys. 4. Schemat układu do zapisu hologramu quasi-fouriera Fala pochodząca z punktu odniesienia S ma ten sam promień krzywizny w płaszczyźnie kliszy holograicznej co ala z punktu P naleŝącego do płaszczyzny przedmiotu. W przypadku hologramu obiektu punktowego prąŝki na hologramie quasi-fouriera są takie same jak na hologramie Fouriera. Przyczynę tego moŝna przypisać kwadratowemu członowi azowemu ali przedmiotowej. Na hologramie quasi-fouriera nie pojawi się rozkład unkcji transormaty Fouriera obiektu. 1.1.4 Odtworzenie hologramu quasi Fouriera Hologram quasi Fouriera moŝna odtwarzać na dwa sposoby: Strona 3 z 6

Pierwszy z nich polega na oświetleniu wywołanego hologramu alą pochodzącą z punktu S, a więc alą identyczną z alą odniesienia. W tym przypadku obraz pozorny pojawi się w miejscu przedmiotu. Drugim sposobem odtwarzania hologramu quasi Fouriera jest zastosowanie układu, który słuŝy równieŝ do odtwarzania klasycznego hologramu Fouriera. Oba obrazy odtwarzane z hologramu tą metodą są obrazami rzeczywistymi. Są one widoczne na ekranie w płaszczyźnie ogniskowej soczewki realizującej transormację Fouriera. W rzeczywistości natęŝeniowe obrazy widoczne na ekranie są identyczne jak w przypadku klasycznego hologramu Fouriera. 1.2 Korelator Van der Lugta Korelator Van der Lugta wykorzystuje własności hologramu Fouriera. W pierwszym etapie naleŝy wykonać iltr dopasowany, który w praktyce jest hologramem Fouriera. Jeśli w płaszczyźnie, umieścimy przeźrocze o transmitancji amplitudowej,, to w płaszczyźnie, otrzymamy transormatę Fouriera transmitancji wejściowej:, (3) Niech ala odniesienia będzie alą płaską,, gdzie. Rozkład natęŝenia w płaszczyźnie, będzie następujący:,, (4),,,, (5) Dzięki wprowadzeniu wiązki odniesienia moŝemy inormację o azie sygnału H zarejestrować na odbiorniku czułym jedynie na natęŝenie. Takim odbiornikiem jest umieszczona w płaszczyźnie, płyta otograiczna, na której naświetlamy rozkład natęŝenia opisany wzorami (4), (5). Przy liniowej obróbce emulsji otograicznej otrzymamy transmitancję hologramu, proporcjonalną do rozkładu natęŝenia,. Po otrzymaniu iltra dopasowanego chcemy uzyskać korelację z sygnałem (przeźroczem), umieszczonym w płaszczyźnie,. W tym przypadku rozkład pola w płaszczyźnie transormaty Fouriera będzie opisany wzorem (6). (6) gdzie G jest transormatą Fouriera przeźrocza,. Układ przedstawiony jest na rys. 5. P³aszczyzna Wejœciowa Soczewka P³aszczyzna Transormaty Fouriera Fala P³aska P (x,y ) 1 1 1 g (x,y ) 1 1 G (x, y ) 2 2 P (x, y ) 2 2 2 I (x, y ) 2 2 Rys. 5. Schemat korelatora Van der Lugta P (x, y ) 3 3 3 Strona 4 z 6

Jej celem jest dokonanie powtórnej transormacji Fouriera całego sygnału opisanego wzorem (6). Otrzymujemy więc sygnał opisany wzorem (7). Korzystając z deinicji splotu i korelacji unkcji oraz z podstawowych twierdzeń dotyczących własności transormacji Fouriera (twierdzenie o splocie, o przesunięciu oraz o transormacie unkcji sprzęŝonej) moŝemy wzór (7) przepisać do postaci (8).,,,,, i (8),,, 2 ii,,, 2 iii Tak więc w płaszczyźnie, otrzymamy trzy sygnały, które we wzorze (8) zostały oznaczone indeksami i, ii, iii. i. Na środku osi optycznej pojawia się rozkład światła zawierający sygnał wejściowy (unkcję g) oraz splot unkcji g z autokorelacją iltra (unkcja h). ii. Przesunięty o względem środka osi optycznej układu pojawia się sygnał zawierający splot unkcji h i g. iii. Przesunięty o względem środka osi optycznej układu pojawia się sygnał zawierający korelację unkcji h i g. W tym miejscu warto zastanowić się nad właściwym doborem wielkości k y, która ma wpływ na separowanie sygnałów i, ii oraz iii. Bezpośrednie ustalenie parametru k y następuje poprzez dobranie kąta padania Θ wiązki odniesienia podczas zapisu iltra zespolonego w układzie holograicznym. Wartość przesunięcia musi być takŝe powiązania z rozciągłością przestrzenną sygnałów i, ii oraz iii. Kąt pomiędzy wiązką odniesienia a sygnałową nie moŝe być jednak zbyt duŝy ze względu na ograniczoną zdolność rozdzielczą płyty otograicznej. W praktyce kąt ten wynosi 10-20 0. Jakość korelacji jest bardzo czuła na przesunięcie iltra w swojej płaszczyźnie. JuŜ przesunięcie rzędu 10 µm niszczy pik korelacyjny. Z tego powodu koniecznie naleŝy przeprowadzić wywołanie kliszy w układzie optycznym na tzw. szubienicy. 2. Przebieg ćwiczenia Warunki zapisu: wyrównane drogi optyczne wiązki przedmiotowej i odniesienia od chwili podziału do kliszy holograicznej; stabilność mechaniczna całego układu; kąt pomiędzy wiązkami: przedmiotową i odniesienia padającymi na emulsję holograiczną nie powinien przekraczać 30 0 ; wyrównane natęŝenia wiązki przedmiotowej i odniesienia. (7) Strona 5 z 6

2.1 Wykonanie iltra dopasowanego bez matówki Ta część ćwiczenia dotyczy zapisu hologramu Fouriera płaskiego przeźrocza reprezentującego unkcję h oświetlonego alą płaską. UWAGA: Hologram naleŝy wywołać na stanowisku! 2.2 Obserwacja splotu i korelacji 2 unkcji W tym punkcie naleŝy zestawić układ z rysunku 5 i zarejestrować przykładowe obrazy splotu i korelacji 2 przeźroczy. 2.3 Wykonanie iltra dopasowanego z matówką Ta część ćwiczenia dotyczy zapisu hologramu Fouriera płaskiego przeźrocza z przyłoŝoną matówką. UWAGA: Hologram naleŝy wywołać na stanowisku! 2.4 Obserwacja splotu i korelacji 2 unkcji W tym punkcie naleŝy zestawić układ z rysunku 5 i zarejestrować przykładowe obrazy splotu i korelacji 2 przeźroczy. 2.5 Zapis hologramu quasi-fouriera W tym punkcie naleŝy zarejestrować hologram quasi-fouriera płaskiego przeźrocza z przyłoŝoną matówką oświetlonego alą płaską. Doświadczenie moŝna przeprowadzić w układzie pokazanym na rysunku 4. 3. Literatura [1] J.W. Goodman, Introduction to Fourier Optics, (McGraw-Hill, New York, 1968). [2] W.T. Cathey, Optyczne przetwarzanie inormacji i holograia, (PWN, Warszawa, 1978). [3] M. Pluta, Holograia optyczna, (PWN, Warszawa, 1980). [4] J. Petykiewicz, Optyka alowa, (PWN, Warszawa, 1986). [5] K. Gniadek, Optyka Fourierowska (WPW, Warszawa, 1987). [6] K. Gniadek, Optyczne przetwarzanie inormacji,(pwn, Warszawa, 1992). Pracownia Inormatyki Optycznej Wydział Fizyki Politechnika Warszawska Warszawa, marzec 2009 Strona 6 z 6