Голографическая интерферометрия

Голографическая интерферометрия ( HI ) ^[1]^[2] это метод, который позволяет измерять статические и динамические смещения объектов с оптически шероховатыми поверхностями с оптической интерферометрической точностью (т.е. с точностью до долей длины волны света). Эти измерения могут применяться для анализа напряжений, деформаций и вибрации, а также для неразрушающего контроля и радиационной дозиметрии. ^[3] Его также можно использовать для обнаружения изменений длины оптического пути в прозрачных средах, что позволяет, например, визуализировать и анализировать поток жидкости. Его также можно использовать для создания контуров, представляющих форму поверхности.

Голография — это двухэтапный процесс записи дифрагированного светового поля, рассеянного от объекта, и выполнения рендеринга изображения. Этот процесс может быть достигнут с помощью традиционных фотопластинок или цифровой сенсорной матрицы в цифровой голографии . Если записанное поле наложено на «живое поле», рассеянное от объекта, то оба поля будут идентичны. Однако если к объекту приложить небольшую деформацию, относительные фазы двух световых полей изменятся, и можно будет наблюдать интерференцию. Этот метод известен как живая голографическая интерферометрия.

Также возможно получить полосы, сделав две записи светового поля, рассеянного от объекта, на одном и том же носителе записи. Восстановленные световые поля могут затем интерферировать, образуя полосы, отображающие смещение поверхности. Это известно как голография с «замороженной границей».

Форма узора полос связана с изменениями положения поверхности или уплотнением воздуха.

В последние годы было разработано множество методов автоматического анализа таких закономерностей.

Открытие

В 1965 году несколько исследовательских групп опубликовали статьи, описывающие голографическую интерферометрию. ^[1]^[4]^[5]^[6] А первые наблюдения явлений, которые можно было бы отнести к голографической интерферометрии, были сделаны Юрисом Упатниексом в 1963 году. ^[7] основная особенность этого процесса не была понята до работы Пауэлла и Стетсона. ^[1] Их эксперименты проводились в период с октября по декабрь 1964 г. и начались они с исследования длины периодической когерентности используемого HeNe-лазера. Компактный лазерный луч использовался для освещения пятна на небольшом объекте, помещенном между двумя зеркалами так, чтобы его изображение можно было наблюдать, глядя через одно зеркало в туннель множественных отражений между зеркалами. Длина каждого изображения была на 10 см больше, чем предыдущее. Поскольку эти лазеры имели около трех продольных мод, их длина когерентности была периодической, как описано производителем Spectra Physics в сотрудничестве с корпорацией Perkin Elmer. Это было продемонстрировано путем записи голограммы вида над одним из зеркал.

Однако на одной из голограмм темная полоса наблюдалась на изображении, наиболее близком к голограмме, и наблюдалось смещение ее положения с перспективой. Эта полоса не наблюдалась в исходном лазерном луче и должна была быть создана голографическим процессом. Конфокальный резонатор лазера состоял из сферического зеркала на выходном конце и плоского зеркала в центре кривизны на другом конце. Регулировка продольного расстояния контролировала количество внеосевых мод колебаний, и было замечено, что лазер колебался более чем в одной осевой моде. Множественные лазерные моды были некогерентными и не мешали наблюдаемому лазерному лучу, так почему же они мешали восстановлению голограммы? Стетсон выдвинул идею о том, что каждая мода существует как в объекте, так и в опорном пучке, и каждая пара записывает на фотопластинке отдельную голограмму. Когда они были реконструированы, обе записи были восстановлены одновременно из одного и того же лазерного луча, и тогда поля стали взаимно когерентными. Пауэлл возражал против этой идеи, поскольку она подразумевала, что голограмма способна когерентно восстанавливать поля, которые были некогерентными во время ее записи.

Полученные аргументы породили серию экспериментов, которые позже были опубликованы в 1966 году. ^[8] Они заключались в следующем: (1) Регистрация отражения концентрированного лазерного луча при одновременном захвате всего опорного луча на голограмме и настройке лазера на комбинации внеосевых мод. (2) Запись голограмм объекта с двойной экспозицией, при которой объект, зеркало опорного луча и сама голограмма слегка поворачивались между экспозициями. (3) Запись голограмм дна банки с пленкой диаметром 35 мм при ее вибрации. Позже, в апреле 1965 года, Стетсон и Пауэлл получили в реальном времени интерференционные картины между реальным объектом и его голографической реконструкцией. ^[9]

Приложения

Лазерная виброметрия

С момента своего появления виброметрия с помощью голографической интерферометрии стала обычным явлением. Пауэлл и Стетсон показали, что полосы усредненной по времени голограммы вибрирующего объекта соответствуют нулям функции Бесселя. $J_{0}(\phi )$ , где $\phi (x,y)$ – глубина модуляции фазовой модуляции оптического поля при $x,y$ на объекте. ^[1] С помощью этого метода локальную амплитуду вибрации можно оценить путем подсчета полос. В работе, о которой сообщает Алексофф, ^[10] опорный луч был сдвинут по частоте, чтобы выделить одну боковую полосу порядка $n$ . В этом случае полосы боковой полосы $n$ соответствуют нулям функции Бесселя $J_{n}(\phi )$ . Благодаря последовательному отображению боковых полос частот проблема подсчета полос была решена. ^[11] Порядок боковой полосы является маркером локальной амплитуды синусоидального движения вне плоскости. Мультиплексные измерения боковых оптических полос ^[12]^[13] позволяют количественно измерять амплитуды внеплоскостных колебаний, намного меньшие, чем длина оптической волны.

Лазерная допплерография

Во внеосевой конфигурации с медленной камерой и лазерным диодом голографическая интерферометрия достаточно чувствительна, чтобы обеспечить широкоугольное лазерное доплеровское изображение оптических флуктуаций по амплитуде и фазе как с помощью медленной, так и быстрой камеры. Медленная (например, видеоскоростная) камера будет записывать усредненные по времени голографические интерферограммы, что приведет к низкочастотной фильтрации сигнала оптических флуктуаций. Смещая частоту опорного луча, фильтр нижних частот становится полосовым фильтром с центром на частоте расстройки, и можно выполнять избирательное узкополосное обнаружение и формирование изображения. Этот метод позволяет визуализировать микрососудистый кровоток, ^[14] в широком поле и измерение фотоплетизмограмм путем обнаружения движения тканей вне плоскости. ^[15] Широкая временная полоса пропускания камеры с высокой пропускной способностью может обеспечить широкополосное обнаружение и анализ оптических флуктуаций. Его можно использовать для визуализации пульсирующего кровотока. ^[16]^[17]

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Пауэлл Р.Л. и Стетсон К.А., 1965, J. Opt. Соц. утра, 55, 1593-8
^ Джонс Р. и Вайкс К., Голографическая и спекл-интерферометрия, 1989, издательство Кембриджского университета.
^ Бейгзаде, AM (2017). «Моделирование калориметра для дозиметрии радиации на основе голографической интерферометрии». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях А . 864 : 40–49. Бибкод : 2017NIMPA.864...40B . дои : 10.1016/j.nima.2017.05.019 .
^ Брукс Р.Э., Хефлингер Л.О. и Вуеркер Р.Ф., 1965. Интерферометрия с голографически реконструированным сравнительным лучом, Applied Physics Letters, 7, 248-9.
^ Коллиер Р.Дж., Доэрти Э.Т. и Пеннингтон К.С., 1965, Применение методов муара к голографии, Applied Physics Letters, 7, 223-5.
^ Хейнс К.А. и Хильдебранд Б.П., 1965, Генерация контуров путем реконструкции волнового фронта, Physics Letters, 19, 10-11.
^ Хейнс, К., 2006, Дж. Голография Спекл, 3, 35.
^ Стетсон К.А. и Пауэлл Р.Л., 1966, J. Opt. Соц. Ам., 56, 1161-6
^ Пауэлл Р.Л. и Стетсон К.А., 1965, J. Opt. Соц. утра, 55, 1694-5
^ К.С. Алексов (1971). «Временно модулированная голография». Прикладная оптика . 10 (6): 1329–1341. Бибкод : 1971ApOpt..10.1329A . дои : 10.1364/AO.10.001329 . ПМИД 20111115 .
^ Ф. Жуд; Ф Верпилья; Ф. Лалоэ; М Атлант; Джей Хэйр; М. Гросс (2009). «Безполосные голографические измерения вибраций большой амплитуды». Оптические письма . 34 (23): 3698–3700. arXiv : 1003.5999 . Бибкод : 2010arXiv1003.5999J . дои : 10.1364/ол.34.003698 . ПМИД 19953166 . S2CID 6180061 .
^ Н. Верье; М. Атлан (2013). «Абсолютное измерение колебаний малой амплитуды с помощью усредненной по времени гетеродинной голографии с двойным гетеродином». Оптические письма . 38 (5): 739–41. arXiv : 1211.5328 . Бибкод : 2013OptL...38..739V . дои : 10.1364/OL.38.000739 . ПМИД 23455283 . S2CID 1072347 .
^ Бруно, Ф.; Лодеро, Дж.Б.; Лесаффр, М.; Верье; Атлан, М. (2014). «Фазочувствительная узкополосная гетеродинная голография». Прикладная оптика . 53 (7): 1252–1257. arXiv : 1301.7532 . Бибкод : 2014ApOpt..53.1252B . дои : 10.1364/AO.53.001252 . ПМИД 24663351 . S2CID 11864797 .
^ Атлан, М.; Гросс, М.; Забудь, Б.; Виталис, Т.; Рансильяк, А.; Данн, А. (август 2006 г.). «Частотная широкопольная лазерная допплерография in vivo» . Опция Летт . 31 (18): 2762–2764. Бибкод : 2006OptL...31.2762A . дои : 10.1364/ол.31.002762 . ПМИД 16936884 .
^ Джеффри Бенкто; Пьер Паню; Томас Костас; Сэм Баят; Майкл Атлан (2015). «Голографическая лазерная допплерография пульсирующего кровотока». Журнал биомедицинской оптики . 20 (6): 066006. arXiv : 1501.05776 . Бибкод : 2015JBO....20f6006B . дои : 10.1117/1.JBO.20.6.066006 . ПМИД 26085180 . S2CID 20234484 .
^ Лео Пуйо; Изабель Ферезу; Армель Рансильяк; Мануэль Симонутти; Мишель Пакес; Хосе-Ален Сахель ; Матиас Финк ; Майкл Атлан (2015). «Визуализация пульсирующего микрососудистого кровотока с помощью анализа кратковременного преобразования Фурье сверхбыстрой лазерной голографической интерферометрии». arXiv : 1510.01892 [ physical.med-ph ].
^ Матильда Пелиццари; Мануэль Симонутти; Жюли Дегарден; Хосе-Ален Сахель ; Матиас Финк ; Мишель Пакес; Майкл Атлан (2016). «Высокоскоростная оптическая голография ретинального кровотока». Оптические письма . 41 (15): 3503–6. arXiv : 1607.07800 . Бибкод : 2016OptL...41.3503P . дои : 10.1364/OL.41.003503 . ПМИД 27472604 . S2CID 40781583 .

Внешние ссылки

Голографическая интерферометрия (Эдинбургский университет) [1]
Голографическая интерферометрия (Университет Уорика) [2]
Голографическая интерферометрия (Университет Райса) [3]
интерферометрия
Holovibes Программа для рендеринга голограмм в реальном времени

[PS1965a-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Пауэлл Р.Л. и Стетсон К.А., 1965, J. Opt. Соц. утра, 55, 1593-8

[2] Джонс Р. и Вайкс К., Голографическая и спекл-интерферометрия, 1989, издательство Кембриджского университета.

[3] Бейгзаде, AM (2017). «Моделирование калориметра для дозиметрии радиации на основе голографической интерферометрии». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях А . 864 : 40–49. Бибкод : 2017NIMPA.864...40B . дои : 10.1016/j.nima.2017.05.019 .

[4] Брукс Р.Э., Хефлингер Л.О. и Вуеркер Р.Ф., 1965. Интерферометрия с голографически реконструированным сравнительным лучом, Applied Physics Letters, 7, 248-9.

[5] Коллиер Р.Дж., Доэрти Э.Т. и Пеннингтон К.С., 1965, Применение методов муара к голографии, Applied Physics Letters, 7, 223-5.

[6] Хейнс К.А. и Хильдебранд Б.П., 1965, Генерация контуров путем реконструкции волнового фронта, Physics Letters, 19, 10-11.

[7] Хейнс, К., 2006, Дж. Голография Спекл, 3, 35.

[8] Стетсон К.А. и Пауэлл Р.Л., 1966, J. Opt. Соц. Ам., 56, 1161-6

[9] Пауэлл Р.Л. и Стетсон К.А., 1965, J. Opt. Соц. утра, 55, 1694-5

[10] К.С. Алексов (1971). «Временно модулированная голография». Прикладная оптика . 10 (6): 1329–1341. Бибкод : 1971ApOpt..10.1329A . дои : 10.1364/AO.10.001329 . ПМИД 20111115 .

[11] Ф. Жуд; Ф Верпилья; Ф. Лалоэ; М Атлант; Джей Хэйр; М. Гросс (2009). «Безполосные голографические измерения вибраций большой амплитуды». Оптические письма . 34 (23): 3698–3700. arXiv : 1003.5999 . Бибкод : 2010arXiv1003.5999J . дои : 10.1364/ол.34.003698 . ПМИД 19953166 . S2CID 6180061 .

[12] Н. Верье; М. Атлан (2013). «Абсолютное измерение колебаний малой амплитуды с помощью усредненной по времени гетеродинной голографии с двойным гетеродином». Оптические письма . 38 (5): 739–41. arXiv : 1211.5328 . Бибкод : 2013OptL...38..739V . дои : 10.1364/OL.38.000739 . ПМИД 23455283 . S2CID 1072347 .

[13] Бруно, Ф.; Лодеро, Дж.Б.; Лесаффр, М.; Верье; Атлан, М. (2014). «Фазочувствительная узкополосная гетеродинная голография». Прикладная оптика . 53 (7): 1252–1257. arXiv : 1301.7532 . Бибкод : 2014ApOpt..53.1252B . дои : 10.1364/AO.53.001252 . ПМИД 24663351 . S2CID 11864797 .

[14] Атлан, М.; Гросс, М.; Забудь, Б.; Виталис, Т.; Рансильяк, А.; Данн, А. (август 2006 г.). «Частотная широкопольная лазерная допплерография in vivo» . Опция Летт . 31 (18): 2762–2764. Бибкод : 2006OptL...31.2762A . дои : 10.1364/ол.31.002762 . ПМИД 16936884 .

[15] Джеффри Бенкто; Пьер Паню; Томас Костас; Сэм Баят; Майкл Атлан (2015). «Голографическая лазерная допплерография пульсирующего кровотока». Журнал биомедицинской оптики . 20 (6): 066006. arXiv : 1501.05776 . Бибкод : 2015JBO....20f6006B . дои : 10.1117/1.JBO.20.6.066006 . ПМИД 26085180 . S2CID 20234484 .

[16] Лео Пуйо; Изабель Ферезу; Армель Рансильяк; Мануэль Симонутти; Мишель Пакес; Хосе-Ален Сахель ; Матиас Финк ; Майкл Атлан (2015). «Визуализация пульсирующего микрососудистого кровотока с помощью анализа кратковременного преобразования Фурье сверхбыстрой лазерной голографической интерферометрии». arXiv : 1510.01892 [ physical.med-ph ].

[17] Матильда Пелиццари; Мануэль Симонутти; Жюли Дегарден; Хосе-Ален Сахель ; Матиас Финк ; Мишель Пакес; Майкл Атлан (2016). «Высокоскоростная оптическая голография ретинального кровотока». Оптические письма . 41 (15): 3503–6. arXiv : 1607.07800 . Бибкод : 2016OptL...41.3503P . дои : 10.1364/OL.41.003503 . ПМИД 27472604 . S2CID 40781583 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]