Отметим, что с точки зрения обеспечения оперативной обработки информации оптико-физические измерения обладают уникальными возможностями. Они обусловлены тем, что носителем информации об исследуемом объекте или процессе служит оптическое излучение. Это позволяет, в принципе, выполнять те или иные преобразования волнового фронта до этапа регистрации, что облегчает дальнейшую обработку

и получение количественных данных. Действительно, анализ литературных данных показывает, что в последние годы появились оптические измерительные устройства, содержащие отдельные элементы .преобразования волнового фронта, например, в интерферометрии /1/, томографии /2/, лазерной анемометрии /3/ и т.д.

В данной статье рассматривается более общий подход к решению задачи получения количественных данных в оптико-физических измерениях, заключающийся в том, что сама схема экспериментальной установки продумывается и собирается так, чтобы ряд необходимых математических операций выполнялся в ней самой непосредственно в процессе исследования. При таком подходе экспериментальная установка и процессор перестают быть отдельными функциональными единицами, а составляют единое целое. В некоторых случаях все необходимые преобразования волнового фронта могут быть выполнены в оптической схеме измерительной системы без привлечения дополнительных элементов на его выходе, а сам объект является функциональным элементом схемы, выполняющим определённые преобразования волнового фронта. Такой подход позволяет от двуступенчатого процесса косвенных оптических измерений перейти к одноступенчатому способу прямых и непосредственных измерений. Это даёт возможность на выходе оптической измерительной системы получать непосредственно физические характеристики. интересующие исследователя.

Можно выделить следующие достоинства измерительных устройств такого рода: во-первых, расширение (функциональных возможностей, т.к. обработке подвергается непосредственно волновой фронт, во-вторых, увеличение отношения сигнал/шум, т.к. исключаются шумы регистратора, и, в-третьих, значительное сокращение временя обработки вплоть до реального времени,

во многом определяются свойствами объекта и той физической величиной, которая измеряется в процессе исследования. Для широкого класса косвенных оптических измерений искомая величина ¦ , описывающая те или иные свойства объектов, связано с волновым фронтом поля z, прошедшего через объект либо отраженного от него некоторым оператором А:

В достаточно общем случае при оптических измерениях можно исключить этапы регистрации сигнала и его преобразования, тогда задача сводится к такой обработке волнового фронта, которая позволила бы решить уравнение (1).

Во втором, наиболее часто встречающемся случае построение обратного оператора А^-1 и использование ОП невозможно, и для решения задач такого типа требуется привлечение новых идей, обсуждаемых в данной статье. В этом случае целесообразно применение итерационных алгоритмов /5/. При использовании итерационных методов искомая функция определяется (в общем виде) по формуле:

¦ _к+1 = z + (1 - l a)c¦ _к (2)

где ¦ _к - результат к-той итерации, 1 - единичный оператор , С - оператор, несущий некоторую априорную информацию об объекте, l - параметр. Нетрудно показать /5/, что большинство известных итерационных схем, использовавшихся ранее как алгоритм Ван-Циттера и его модификаций, Гершберга, Фенапа и т.д., сводятся к уравнению (2).

Основные достоинства итерационных алгоритмов вытекают из уравнения (2). Во-первых, не нужно искать обратный оператор, во-вторых, привлекать любую априорную информацию об объекте, такой информацией может быть ограничение сигнала ила его спектра по полосе, положительность функции, определяющей объект, её гладкость, точное значке её на определенных участках и т.д. Вся эта информация описывается оператором С и легко вводится в алгоритм. Для реализации итерационной процедуру в процессе измерения необходимо выполнить целый ряд достаточно сложных преобразований волнового фронта. Однако, в последние годы В целом ряде работ /6,7/ было предложено рассматривать ОП, использующие оптические системы с обратной связью /8,9/, как процессоры, реализующие те или иные итерационные алгоритмы.

В процессе вычисления выражения (2) в оптической системе с обратной связью необходимо многократное выполнение оператора А. Он определяется тем преобразованием волнового фронта, которое осуществляет объект над зондирующим излучением. Текли образом, реализация оператора А связана с функциональным использованием объекта, как элемента оптического измерительного устройства, выполняющего определенные преобразования волнового фронта. Это требует такого построения экспериментальной установки, чтобы необходимые преобразования зондирующего излучения осуществлялись в процессе измерения. Не останавливаясь на особенностях выполнения тех или иных преобразований в ОП, отметим только, что техника оптических систем с обратной связью интенсивно развивается. Это позволяет надеяться на их широкое применение в оптических измерительных приборах и устройствах.

В топографической интерферометрии диффузно отражающих объектов выбором углов наклона освещающего излучения и направления наблюдения фотографирования) восстановленного изображения изменялась чувствительность к измерении отдельных проекций вектора перемещения, а пространственная фильтрация объектного волнового фронта использовалась для повышения контраста интерференционных полос и получения изотет (линий равного значения) проекции вектора перемещения, нормальной поверхности объекта. Преобразование волнового фронта, отраженного от объекта за счёт смещения освещающего источника, изменения его длины волны или применения иммерсионной жидкости, лежат в основе голографических методов получения интерференционных контурных карт рельефа поверхности /10/.

Томография, как метод исследования внутренних скрытых структур трехмерного объекта, получила в последнее время широкое распространение. Сущность метода состоит в том, что путем соответствующей обработки излучения, прошедшего через объект под различными углами так называема” проекций, получают изображение его поперечного сечения,

Известные топографические системы, использующие оптическое излучение в качестве зондирующего, обладают существенным недостатком, они требуют регистрации составляющих поля и последующей обработки на ЭВМ. Подобная двухэтапная обработка приводит к тому, что возникает разрыв во времени между регистрацией проекций и визуализацией требуемого изображения. Для устранения этого недостатка в /2/ было предложено объединить оба этапа томографического процесса.

При оптическом многоракурсном зондировании проекции представляют собой модуляцию светового поля. Они непосредственно, минуя этап регистрации, поступают на вход томографического процессора. На выходе оптической части устройства формируется изображение сечения объекта - томограмма, В работе /2/ этот одноэтапный процесс прямого измерения локального значения показателя преломления либо его ослабления в сечений объекта предложено называть оптической томографией.

Пусть n(x,у) - распределения показателя преломления в сечении объекта. Плоский монохроматический пучок света, проходя через данное сечение фазового объекта, будет описываться e = a₀exp[i2p Ф_j/L ], где L - длина волны, Ф_j - интегральный фазовый набег вдоль луча, Ф_j связан с функцией n(х,y) уравнением Радона:

Здесь p,j - параметры нормального уравнения прямых зондирования р=хСоsj +ysinj . Задача состоит в том .чтобы, зная функции Ф_j(p) для всех углов зондирования j _j, из интервала [-p /2;p /2] найти n(x,y).

В работе /11/ было предложено осуществлять решение ИУ Радона в процессе многоракурсного многопроходового зондирования. Этот метод решения с последующим представлением n(x,у) в виде интерферограмм получил название топографической интерферометрии, а устройство - томографического интерферометра.

Для решения уравнения (3) в томографическом интерферометре наиболее целесообразно использовать алгоритм обратных проекций, согласно которому распределение показателя преломления в сечении объекта n связано с проекциями Ф_j(р) уравнением:

Операция суммирования обратных проекций описывается показателем экспоненты в правой части выражения (4).

Для вычисления правой части уравнения (4) была разработана оптическая схема многоракурсного многопроходного интерферометра, которая позволила на выходе получить значения показателя преломления в сечении объекта для случая слабоизменяющихся фазовых объектов. Для более сложных случаев в /2/ предложено во пользовать оптическую сие теку со сдвиговым интерферометром в петле обратной связи.

В качестве второго примера рассмотрим принципиальную оптическую схему, показанную на рис.1 и предназначенную для получения изотет (линий равного значения. тангенциальной проекции D r_x вектора перемещения D r в реальном времени с одновременным устранением спекл-шума на восстановленном изображении /12/.

Диффузно отражающий объект с плоской поверхностью i совещается симметрично нормали к ней двумя коллимированными волновыми полями 2 и 3 и с помощью объектива 4 записывается на голограмму сфокусированного изображения 5 с опорным волновым полем 6. После записи на голограмму исследуемого объекта, находящегося в первоначальном состоянии, опорное волновое поле перекрывают, превращая доступ его к голограмме, а к объекту прикладывают деформирующую

нагрузку. Саму голограмму освещаю” одновременно двумя объектными волновыми полями, распространяющимися в направлении от оптической системы. Восстановленные волновые поля, распространяющиеся по направлению опорного волнового поля при записи голограммы, попадают в блок оптической фильтрации, состоящей из объектива 7 и отверстия 8 в непрозрачном экране. Образующуюся при деформации объекта интерференционную картину наблюдают или фотографируют, фокусируясь в плоскость голограммы через отверстие 8.

В рассмотренной схеме исследуемый объект играет многофункциональную роль. Во-первых, его диффузно отражающая поверхность используется как полупрозрачная пластинка на выхода интерферометра, соединяющая и направляющая по одному пути интерферирующие волновые поля. Во-вторых, коллимированное в симметричное освещение объекта и наблюдение (фотографирование) его по одному направлению позволяют устранить зависимость интерферограммы от изменения углов освещения и наблюдения по поверхности объекта, а также от других проекций (D r_y,D r_z) вектора перемещения, в результате чего полученная интерферограмма практически не нуждается в дальнейшем расчете. Наконец, восстановление голограммы объективными волновыми полями приводит к тому, что восстановленное изображение оказывается пропорциональным распределению не комплексной амплитуды, как обычно, а интенсивности по поверхности объекта.

В связи с этим энергетический спектр, описывающийся по теореме Винера-Хинчина преобразованием Фурье от функции корреляции, в данном случае по интенсивности, содержит в себе d -функцию, т.е. на одну из его частот приходится 50% анергии. Эта частота пропускается отверстием в непрозрачном экране, что я приводят к устранению спекл-шума на восстановленном изображении.

1. Голография. Методы и аппаратура, под ред. В.М.Гинзбург, Б.М.Степанова. - М., Сов.радио, 1974.

2. Г.Н.Вишняков. Г.Г.Левин. В сб. "Физические основы голографии", Л., 1981, с.178-190.

3. П.Я.Белоусов, Ю.Н.Дубнищев, И.Г.Палъчикова. Автометрия. № 3, 1982, с.34-38.

4. Б.С.Ринкевичюс. Лазерная анемометрия, М., Энергия, 1978.

5. Р.У.Шафер, Р.М.Мерсеро, М.А.Ричардс. ТИИЭР, 1981 ,т.69, №4, с.34-55.

7. А.Л.Ауслендер, Г.Н.Вишняков. Г.Г.Левин. В кн. "Оптическая обработка информации", Л., 1978, с.107-115.

9. Е.С.Нежевенко, Б.Н.Спектор. Автометрия, 1975, №3, с.98-103.

10. Ч.Вест. "Голографическая интерферометрия", М., Мир, 1982.

11. Г.Н.Вишняков, Г.Г.Левин. Оптика и спектроскопия, 1982, т.52, 5, с.929-932.

12. Н.Г.Власов, С.Г.Галкин, Ю.П.Пресняков, Б.М.Степанов. В сб. Труды Хiv межд. конгресса высокоскоростной фотографии и фотоники, СССР, М., 2980. с.263-264.