Politechnika warszawska



Pobieranie 67,27 Kb.
Data25.02.2019
Rozmiar67,27 Kb.

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


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).
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.


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.


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.



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.


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.



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).



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.)



©operacji.org 2017
wyślij wiadomość

    Strona główna