Dokument Word - Politechnika Warszawska

POLITECHNIKA WARSZAWSKA
INSTYTUT FIZYKI
__________________________________________________
PRACOWNIA INFORMATYKI
OPTYCZNEJ
PODSTAWY OPTYKI
PRACOWNIA INFORMATYKI OPTYCZNEJ
KOMPUTEROWE METODY OPTYKI
SPIS ĆWICZEŃ I WYKŁADÓW
__________________________________________________
WARSZAWA 1999
Podstawy optyki - laboratorium 3h/tyg. specjalność Optoelektronika
Zestaw 12 ćwiczeń poświęconym podstawom optyki falowej. Laboratorium związane
jest z wykładem pt. Podstawy optyki.
Pracownia Informatyki Optycznej - laboratorium 2h/tyg. specjalność Optoelektronika
Zestaw 5 zaawansowanych ćwiczeń (po 6h każde) poświęconym optyce koherentnej i
optycznemu przetwarzaniu informacji. W ramach ćwiczeń realizowane są następujące tematy:
filtracje przestrzenne, splot, korelacja, optyczne całkowanie i różniczkowanie, hologram
Fresnela i Fouriera. Laboratorium związane jest z wykładem pt. Optyka Fourierowska.
UWAGA
Pracownia Informatyki Optycznej musi być poprzedzona laboratorium Podstaw Optyki
Komputerowe Metody Optyki - 3h/tydz.
specjalność Optoelektronika i Fizyka Komputerowa
Wykład poświęcony wybranym zagadnieniom komputerowych metod optyki. Wykłąd
obejmuje ogólny wstep do optyki falowej i fourierowskiej, algorytmy FFT, oprogramowanie
kamer i frame-grabberów, przetwarzanie numeryczne obrazów, algorytmy tomografii
komputerowej, holografię syntetyczną, metody iteracyjne w holografii oraz podstawowe
informacje dotyczące algorytmów BPM i automatycznej interpretacji obrazów prążkowych.
Komputerowe Metody Optyki Laboratorium
(32h/sem dla specjalności Fizyka komputerowa)
(16h/sem dla specjalności Optoelektronika - planowane na RA 1999/2000)
Zestaw 8 zaawansowanych ćwiczeń (po 4h każde) poświęconym optyce
komputerowej. W ramach ćwiczeń realizowane są następujące tematy: koherencja czasowa i
przestrzenna światła, transformacja Fouriera i próbkowanie, akwizycja i wstępne
przetwarzanie obrazu wczytanego z kamery CCD, filtracje numeryczne obrazów, numeryczna
symulacja propagacji światła w strefie Fresnela, holografia syntetyczna. Laboratorium
związane jest z wykładem pt. Komputerowe Metody Optyki.
UWAGA
Laboratorium Komputerowe metody optyki może być realizowane niezależnie od Podstaw
Optyki i Pracowni Informatyki Optycznej
19/07/2017
2
Komputerowe metody optyki
wykład 3 godz./tydz.
1. Wprowadzenie do skalarnej teorii dyfrakcji. Dyfrakcja światła w strefie Fresnela i strefie
Fraunhofera. Przybliżenie przyosiowe i nieprzyosiowe. Spójność czasowa i przestrzenna
promieniowania.
2. Całkowe przekształcenie Fouriera oraz podstawowe funkcje i ich widma używane w optyce
Fourierowskiej. Definicja splotu i korelacji. Próbkowanie i powielanie funkcji w oparciu o
funkcję combus.
3. Powiązanie przekształcenia Fouriera z polem dyfrakcyjnym w strefie Fresnela i
Fraunhofera. Podstawowe informacje na temat najczęściej spotykanych elementów
optycznych i ich zespolonych transmitancjach. Twierdzenie o próbkowaniu.
4. Dyskretne przekształcenie Fouriera. Dobór okna transformaty. Algorytm szybkiego
przekształcenia Fouriera (FFT). Zastosowanie algorytmu FFT do obliczania pola
dyfrakcyjnego w strefie Fresnela i Fraunhofera. Podstawowe wiadomości dotyczące
algorytmów Beap Propagation Method (BPM).
5. Funkcje natężeniowej odpowiedzi impulsowej (PSF) oraz optyczne funkcje przenoszenia
układów optycznych uzyskiwane w sposób analityyczny i numeryczny.
6. Co to jest frame grabber. Sposób działania. Inicjalizacja frame grabbera. Znaczenie i
wykorzystywanie rejestrów Look Up Table (LUT). Typy frame grabberów. Typy kamer,
paramety, automatyka wzmocnienia i charakterystyki automatyki kontrastu. Kamery i frame
grabbery kolorowe.
7. Podstawowe operacje na obrazach szaroodcieniowych. Przechowywanie plików
zawierających obrazy - przykładowe omówienie nagłówka i formatu bitmapy. Filtracje górno
i dolno przepustowe. Histogram i scattergram zamrożonego obrazu. Binaryzacja obrazy
(tresholding).
8. Operacje na obrazach binarnych. Erozja, rozszerzanie, znajdowanie krawędzi, usuwanie
szumu, operacje logiczne.
9. Podstawy tomografii komputerowej.
10. Numeryczne i optyczne metody rozpoznawania poprawiania obrazów.
11. Holografia syntetyczna - idea. Próbkowanie obiektów. Syntetyczny hologram Fouriera
obiektu płaskiego. Synteryczny hologram Fresnela obiektu trójwymiarowego. Obliczanie pola
świetlnego - algorytmy przesłaniania i przenikania.
12. Kodowanie amplitudy i fazy. Odtwarzanie obrazów z hologramów syntetycznych. Wpływ
próbkowania i kwantyzacji. Algorytmy iteracyjne dla hologramów czysto-fazowych
(Algorytm Gerchberga Saxtona).
19/07/2017
3
13. Zastosowanie metody BPM do różnych ośrodków niejednorodnych, w których propaguje
się światło. Światłowody planarne i paskowe. Ośrodki liniowe i nieliniowe.
14. Niekonwencjonalne struktury dyfrakcyjne generowane komputerowo w zastosowaniu do
obrazowania, formawania pól świetlnych, korekcji amplitudowo-fazowej wiązek światła,
pozycjonowania, wyświetlaczy trójwymiarowych i płaskich.
15. Podstawowe informacje na temat interferometrycznych metod badania odkształceń.
Automatyczna interpretacja prążków.
19/07/2017
4
Optyka falowa
laboratorium 12 zajęć po 3 godz.
Ćwiczenie 1.
Formowanie elementarnych frontów falowych. Zapoznanie się z podstawowymi
elementami optycznymi i źródłami światła, które będą wykorzystywane podczas zajęć
laboratoryjnych.
Formowanie fali płaskiej przy użyciu pinholi i soczewki sferycznej. Zapoznanie się z
różnymi typami żródeł promieniowania, które pracują w świetle widzialnym i podczerwieni.
Ćwiczenie 2.
Wyznaczanie ogniskowych soczewek cienkich oraz płaszczyzn głównych obiektywów
lub układu soczewek
Działanie obrazujące soczewek lub układu soczewek wygodnie jest opisywać przy
pomocy optyki geometrycznej, gdzie front falowy jest przedstawiony w postaci zbioru
promieni prostopadłych do powierzchni stałej fazy. W ramach ćwiczenia wyznaczane są
płaszczyzny główne soczewek i obiektywów,
Ćwiczenie 3.
Wykonanie dokumentacji fotograficznej
Celem ćwiczenia jest zaznajomienie studentów z techniką wykonywania
dokumentacji fotograficznej w układach optycznych. Umiejętność ta jest niezbędna w pracy
doświadczalnej w laboratorium optycznym i będzie konieczna przy realizacji dalszych
ćwiczeń do wykładu optyka falowa.
Ćwiczenie 4.
Doświadczenie interferencyjne Younga
Doświadczenie Younga - obserwacja i pomiary prążków w układzie oświetlonym
różnorodnymi źródłami światla (światło białe, lampa sodowa, wiązka laserowa, nieruchoma
matówka oświetlona wiązką laserową, ruchoma matówka oświetlona wiązką laserową).
Ćwiczenie 5.
Strefy Fresnela
Celem ćwiczenie jest zbadanie pola dyfrakcyjnego w strefie Fresnala za otworem
kołowym oświetlonym monochromatyczną falą płaską.
19/07/2017
5
Ćwiczenie 6.
Zjawiska interferencyjne w świetle spójnym i niespójnym przestrzennie oraz ich
zastosowania do prostych celów metrologicznych.
Obserwując kształt prążków interferencyjnych możemy określić jakość
interferujących frontów falowych, na przykład opisać z jaką dokładnością są one płaskie,
sferyczne i. t. d. Jeżeli powyższe fronty są sformowane przez elementy optyczne, wówczas
ich charakter wiąże się z jakością tych elementów. W ten sposób można badać układy
soczewek (obiektywy), wyznaczać płaskość powierzchni szklanych, zwierciadeł. .
Ćwiczenie 7.
Pomiar drogi spójności źródeł laserowych
Nawet najdoskonalsze lasery emitują promieniowanie w pewnym zakresie
spektralnym, który nie odpowiada jednej długości fali a przedziałowi (śr-,śr-) wokół
średniej wartości śr. Charakterystyczna długość s pojedynczego ciągu falowego nazywa się
drogą spójności lasera. W ramach ćwiczenia dokonuje się pomiarów drogi spójności różnych
typów laserów..
Ćwiczenie 8.
Zapis sinusoidalnej siatki dyfrakcyjnej i pomiar jej okresu przestrzennego.
Celem ćwiczenia jest ustawienie interferometru Michelsona, a następnie zapis na
kliszy fotograficznej sinusoidalnej siatki dyfrakcyjnej.
Ćwiczenie 9.
Samoobrazowanie obiektów periodycznych
Okazuje się że istnieją pewne obiekty, których pole dyfrakcyjne w
odpowiedniej odległości za płaszczyzną transparentu jest wiernym obrazem obiektu. Obraz
ten otrzymujemy bez udziału żadnych obrazujących elementów optycznych, jak np. soczewek
czy zwierciadeł sferycznych. Z tego względu zjawisko to nazywa się zjawiskiem
samoobrazowania, a pole dyfrakcyjne odtwarzające transparent nazywamy samoobrazami.
Ćwiczenie 10.
Wykorzystanie optycznej transformaty Fouriera do pomiaru małych obiektów
dwuwymiarowych.
Realizacja widma Fouriera przy pomocy soczewki. Obserwacja widm wybranych
obiektów - pomiar apertury kolowej i kwadratowej oraz stałej siatki dyfrakcyjnej. Widmo
obiektu periodycznego i próbkowanego.
19/07/2017
6
Ćwiczenie 11.
Hologram Fresnela
Holografia umożliwia zapis pełnej informacji o obiekcie optycznym, zarówno
amplitudowej jak i fazowej. Dzięki temu można m.in. odtwarzać trójwymiarowe obiekty w
ich naturalnym, przestrzennym kształcie. Technika holograficzna polega na rejestracji
natężeniowego pola świetlnego, powstającego w wyniku interferencji wzajemnie spójnych
fal: przedmiotowej pochodzącej od obiektu i fali odniesienia. W ramach ćwiczenie rejestruje
się hologram obiektu dwu-wymiarowego/
Ćwiczenie 12.
Holografia syntetyczna - płytki strefowe.
W klasycznej holografii optycznej, gdzie hologram powstaje w wyniku rejestracji pola
interferencyjnego, rekonstruuje się jedynie takie fronty falowe, które potrafimy sformować w
układzie optycznym. Poza odtworzeniem realnie istniejących obiektów możliwości
klasycznej holografii optycznej ograniczają się do generacji najprostszych pól, jak fale
sferyczne, cylindryczne i.t.p. Dużo większe możliwości oferuje w tym zakresie holografia
syntetyczna. W tym przypadku hologram zostaje wytworzony przy pomocy urządzenia
formującego żądany układ prążków struktury dyfrakcyjnej, który zastępuje prążki
interferencyjne klasycznego hologramu. Wymienionym urządzeniem może być w
najprostszym przypadku plotter, drukarka laserowa, a w bardziej zaawansowanych
aranżacjach naświetlarka laserowa czy też działo elektronowe. Hologram syntetyczny jest
tworzony z reguły przy pomocy komputera, który steruje procesem formowania elementu
dyfrakcyjnego, a w bardziej złożonych przypadkach służy również do obliczania jego
transmitancji. Z tego powodu nazwa holografia syntetyczna jest stosowana wymiennie z
terminem holografia komputerowa.
19/07/2017
7
Pracownia informatyki optycznej
laboratorium 5 zajęć po 6 godz.
Ćwiczenie 1.
Optyczna filtracja sygnałów informatycznych.
Ćwiczenie poświęcone jest optycznej obróbce sygnałów niosących informację. Dzieki
filtracjom przestrzennym widm obiektów - przeprowadzanych w płaszczyżnie Fouriera uzyskuje się różne efekty na sygnale wyjściowy. W ramach ćwiczenia przeprowadza się
detekcję i wyostrzanie krawędzi, odwracanie kontrastu oraz modulację typu "teta".
Ćwiczenie 2.
Hologram Fresnela
Holografia umożliwia zapis pełnej informacji o obiekcie optycznym, zarówno
amplitudowej jak i fazowej. Dzięki temu można m.in. odtwarzać trójwymiarowe obiekty w
ich naturalnym, przestrzennym kształcie. Technika holograficzna polega na rejestracji
natężeniowego pola świetlnego, powstającego w wyniku interferencji wzajemnie spójnych
fal: przedmiotowej pochodzącej od obiektu i fali odniesienia. W ramach ćwiczenie rejestruje
się zaawansowany hologram obiektu trójwymiarowego/
Ćwiczenie 3.
Hologram Fouriera
Zamiast rejestrować wprost falę ugiętą i odbitą od obiektu można rejestrować na
hologramie jego widmo Fouriera. Widmo Fouriera zadanego obiektu jest w ogólności funkcją
zespoloną. Rejestrując więc widmo Fouriera w sposób holograficzny zapisujemy jego
amplitudę, a także fazę. W ten sposób możemy zachować pełną informację o obiekcie.
Transformację Fouriera w układzie optycznym możemy łatwo przeprowadzić przy użyciu
pojedynczej, cienkiej soczewki.
19/07/2017
8
Ćwiczenie 4.
Koherentne korelatory optyczne.
W układzie optycznym przeprowadzane są operacje splotu i korelacji 2
dwuwymiarowych sygnałów. Wykonywana w ramach ćwiczenia korelacja prezentowana jest
na przykładzie optycznego rozpoznawania określonych liter w zadanym tekście.
Ćwiczenie 5.
Hologram Bentona.
Celem ćwiczenia jest wykonanie hologramu, który może być odtwarzany światłem o
niskiej spójności czasowej i dosyć wysokiej spójności przestrzennej (np. bezpośrednie światło
słoneczne, włókno żarówki). Hologram taki, zwany też hologramem Bentona lub
hologramem tęczowym, studenci wykonują dwustopniowo.
W pierwszym etapie zapisywany jest hologram Fresnela (ćw. 2). W drugim etapie
zapisywany jest hologram tęczowy bazujący na odtworzonym obrazie rzeczywistym
hologramu Fresnela.
Hologram tęczowy charakteryzuje się zjawiskiem paralaksy w jednym, zadanym
kierunku. W kierunku prostopadłym widoczne jest jedynie spektrum barw światła
odtwarzającego hologram (stąd też nazwa - hologram tęczowy).
19/07/2017
9
Komputerowe metody optyki
laboratorium 8 zajęć po 4 godz. (4 zajęcia po 4 h - Optoelektronika)
Ćwiczenie 1. - Spójność czasowa i przestrzenna źródeł promieniowania.
Doświadczenie Younga - obserwacja i pomiary prążków w układzie oświetlonym
różnorodnymi źródłami światla (światło białe, lampa sodowa, wiązka laserowa, nieruchoma
matówka oświetlona wiązką laserową, ruchoma matówka oświetlona wiązką laserową).
Interferometr Michelsona. Badanie spójności czasowej laserowych żródeł światła.
Ćwiczenie 2. - Optyka Fourierowska
Formowanie fali płaskiej przy użyciu pinholi i soczewki sferycznej. Realizacja widma
Fouriera przy pomocy soczewki. Obserwacja widm wybranych obiektów - pomiar apertury i
siatki dyfrakcyjnej. Widmo obiektu periodycznego i próbkowanego.
Doświadczalna weryfikacja twierdzenia o próbkowaniu.
Ćwiczenie 3. - Widzenie maszynowe I
Inicjalizacja frame grabbera. Zamrażanie obrazu. Zapis i odczyt obrazu z dysku.
Programowanie LUT. Wstępne zbadanie charakterystyki kamery.
Ćwiczenie 4. - Widzenie maszynowe II
Wykonanie histogramu i scattergramu obrazu obiektu. Tresholding. Podstawowe filtracje
numeryczne.
Ćwiczenie 5. - FFT i propagacja I
W oparciu o gotowe procedury 1 wymiarowego przekształcenia Fouriera uruchomienie
przekształceń 2 wymiarowych. Obliczenie numeryczne i zbadanie kilku widm testowych
obiektów. Sprawdzenie twierdzenie o przesunięciu, skalowaniu i splocie dla transformacji
Fouriera.
Ćwiczenie 6. - FFT i propagacja II
W oparciu o gotowe procedury 1 i 2 wymiarowego przekształcenia Fouriera uruchomienie
programu do obliczania 1 i 2 wymiarowej propagacji światła w strefie Fresnela i Fraunhofera.
Obliczenie kilku podstawowych pól dyfrakcyjnych elementarnych apertur w strefie Fresnela i
Fraunhofera.
Ćwiczenie 7. - Hologram syntetyczny I
Przygotowanie - w oparciu o gotowe programy dostępne w PIO IF PW - danych i wykonanie
wydruków do syntetycznego hologramu Fresnela i Fouriera. Przygotowanie wydruku
syntetycznego elementu dyfrakcyjnego.
Ćwiczenie 8. - Hologram syntetyczny II
Wykonanie - w/g wydruków z ćwiczenia 7 - syntetycznych hologramów i elementu
dyfrakcyjnego. Obserwacja obrazów - pomiar wydajności dygrakcyjnej. Obserwacja efektów
związanych z próbkowaniem obiektów oraz kwantyzacją fazy.
UWAGA
Na RA 1999/2000 ćwiczenia 3,4,7,8 także dla specjalności Optoelektronika (4 ćw po 4 h co
daje w przybliżeniu 15 h/sem - 1 h/tydz.)
19/07/2017
10