We consider the hypothesis of instantaneous volume speckle structures in a partially coherent optical wave field of frequency-broadband radiation from an extended light source. We discuss the spatiotemporal correlation properties of instantaneous speckle structures and the relation of these properties with the spatiotemporal coherent properties of the wave field. We show that the instantaneous speckle structures determine spatial fluctuations of the wave field and its spatial coherent properties. Using numerical calculations of the field of wave perturbations in the near-field diffraction region of the extended light source, we obtain images of instantaneous speckle structures in the longitudinal cross section of the wave field and investigate the correlation properties of the spatial distribution of the instantaneous intensity of the wave field in the direction of its propagation as functions of the width of the frequency spectrum and the width of the angular spectrum of the field. We show that the longitudinal length of instantaneous speckles can be determined either by the width of the frequency spectrum of the field, or the width of its angular spectrum, or, jointly, by the width of the frequency spectrum and the width of the angular spectrum of the field. We find conditions under which instantaneous speckle structures propagate, experiencing decorrelation changes during their propagation, to a distance that is determined by the width of the angular spectrum of the field.
Предложен и экспериментально реализован метод измерения субпиксельных микросмещений спекл-структуры, основанный на определении параметров линейного фазового набега, образующегося в поле комплексного пространственного спектра смещенной спекл-структуры, путем численного введения дополни-тельного фазового сдвига спектра и корреляционного анализа возникающего смещения линейного фазового набега в пространственном спектре спеклограммы. Метод позволяет расширить диапазон измерений, производимых с помощью метода цифровой спекл-фотографии, для случая, когда период интерференционных полос, формируемых в суммарном пространственном спектре спеклограмм, оказывается существенно больше ширины спектра. DOI: 10.21883/JTF.2017.08.44741.2128 Спекл-структура формируется при отражении коге-рентного лазерного излучения от рассеивающей по-верхности или при прохождении через пространственно случайно неоднородную среду [1,2]. Изменения, проис-ходящие с рассеивающими объектами, вызывают измене-ния в амплитудно-фазовом распределении комплексной амплитуды и интенсивности спекл-поля. С помощью методов спекл-интерферометрии можно определить из-менения, произошедшие в спекл-полях, и, таким об-разом, получить информацию об изменении состояния рассеивающего объекта [2,3].Использование в цифровой спекл-интерферомет-рии [3,4-6] метода взаимной корреляции смещенной и несмещенной спекл-структур позволяет получать ин-формацию о смещении спеклов без преобразования в частотную область. Корреляционные методы позволяют измерять смещения спеклов в изображениях с точно-стью до периода расположения пикселей матрицы циф-ровой фотокамеры [4,5], величина которого используется в качестве рабочей меры длины в этих методах. Для из-мерений микросмещений изображений в субпиксельном диапазоне применяются итерационные вычислительные подходы [6]. В [7] субпиксельная точность корреляци-онного метода достигается с помощью итерационных подходов и статистического анализа зарегистрированных спекл-полей.В настоящей работе предложен метод обработки комплексных пространственных спектров изображений спекл-структур для измерения их микросмещений в субпиксельном диапазоне на основе определения пара-метров линейного фазового набега, образующегося в по-ле комплексного пространственного спектра смещенной спекл-структуры, путем численного введения дополни-тельного фазового сдвига спектра и корреляционного анализа возникающего смещения линейного фазового набега в пространственном спектре спеклограммы. Вве-дение дополнительного постоянного фазового сдвига в поле пространственного спектра приводит к соответ-ствующему смещению линейного фазового набега в спектре смещенной спеклограммы. Для определения ве-личины смещения линейного участка графика функции фазового набега используется построчный корреляцион-ный анализ положений точек графика до смещения и после. Предложенный метод позволяет найти величину наклона линейного участка графика функции фазового набега в пределах пространственного спектра и опре-делить с достаточно большой точностью субпиксельное смещение спекл-структуры.Однород...
The formation of instantaneous speckle-modulated interference images of thin transparent layers in an optical microscope under an illuminating quasi-monochromatic or frequency broadband wave field with wide angular spectra and coherent effects are considered. Instantaneous speckle-modulated interference images of the layer in the transverse and longitudinal sections of the total wave field reflected by the layer are obtained by numerical simulation of the spatial distributions of the complex amplitude of the wave fields reflected by the layer faces and their superposition. The results of computer simulation of instantaneous speckle-modulated and experimentally observed averaged interference images of the layer under quasi-monochromatic and frequency broadband illuminating layer field with different width of the angular spectrum are presented. The mutual correlation of instantaneous speckle fields reflected by the layer faces and the effects of the influence of the width of the angular and frequency spectra of the illuminating field on the contrast of experimentally observed interference images of the layer are studied numerically. On the basis of the instantaneous speckle-modulation of the wave field the physical mechanism of the influence of angular width and the width of the frequency spectra of the illuminating field on the mutual coherence of the interfering wave fields is investigated.
Исследованы возможности метода цифровой спекл-интерферометрии для определения субпиксельных смещений спекл-структуры, формируемой смещаемым или деформируемым объектом с рассеивающей поверхностью. Анализ пространственных спектров спекл-структур позволяет проводить измерения с субпиксельной точностью и расширить нижнюю границу диапазона измерений смещений спекл-структур в область субпиксельных значений. Метод реализован на основе цифровой записи изображений несмещенной и смещенной спекл-структур, их пространственного частотного анализа с использованием численно заданных постоянных фазовых сдвигов и корреляционного анализа пространственных спектров спекл-структур. Преобразование в частотную область позволяет получить измеряемые величины с субпиксельной точностью по смещению минимума интерференционной картины в дифракционном гало при введении дополнительного фазового смещения в комплексный пространственный спектр спекл-структуры или по величине наклона линейного участка графика функции фазового набега в поле комплексного пространственного спектра смещенной спекл-структуры. Возможности метода исследованы в натурном эксперименте.
On the basis of diffraction transformations of wave fields, a mathematical model of a speckle interferometer of transverse displacements of a scattering object has been developed and numerical modeling of speckle-modulated interference patterns and signals at the output of the interferometer has been performed. Numerical calculations of the spatial distribution of complex amplitudes of wave fields in an interferometer were used for modeling when the displaced scattering surface was illuminated by two obliquely incident laser Gaussian beams. A statistical numerical experiment was performed to determine the measurement error of the scattering surface displacement caused by the change of realizations of interfering speckle fields. The simulation results are in good agreement with the results of experimental studies of transverse displacements in the range up to 600 micrometers.
scite is a Brooklyn-based organization that helps researchers better discover and understand research articles through Smart Citations–citations that display the context of the citation and describe whether the article provides supporting or contrasting evidence. scite is used by students and researchers from around the world and is funded in part by the National Science Foundation and the National Institute on Drug Abuse of the National Institutes of Health.
hi@scite.ai
10624 S. Eastern Ave., Ste. A-614
Henderson, NV 89052, USA
Copyright © 2024 scite LLC. All rights reserved.
Made with 💙 for researchers
Part of the Research Solutions Family.