РФФИ — офи_м

Разработка методов видения и распознавания образов на основе программно-управляемых акустооптических фильтров

13-02-12210 офи_м

(руководитель — академик РАН В.И. Пустовойт)

Акустооптические фильтры (АО) на основе динамических решеток, создаваемых ультразвуком, находят все более широкое применение в современной технике. Качественно новым свойством разработанных в Научно-технологическом центре уникального приборостроения РАН АО фильтров стала возможность управления спектральными характеристиками, что позволяет называть их не просто перестраиваемыми, а программно-управляемыми за микросекунды. Основной целью проекта является разработка методов управления характеристиками АО фильтров и их адресацией для целей регистрации и обработки гиперспектральных данных (в том числе в реальном времени). При этом планируется проанализировать, смоделировать и использовать подходы, используемые при зрительном цветовом восприятии и распознавании в живой природе. В качестве дополнительных целей намечены исследования по смежным вопросам, прежде всего по методам и средствам регистрации спектральной информации с использованием особых свойств АО фильтров.

На первом году проекта (2013г.) работы проводились по многим направлениям: как основному, так и вспомогательным.

По основному направлению в соответствие с планом работ разрабатывались методы расчета формы функции пропускания АО фильтров со сложным составом акустических волн, образующих дифракционные решетки, и методы оптимального управления параметрами акустических волн. Эти методы основаны на точном решении и последующем анализе укороченных уравнений, описывающих взаимодействие оптической и акустической волны, с использованием пакета «Mathematica». Методы расчета отработаны в двух важных задачах: дифракции на линейно частотно модулированной акустической волне и дифракции на паре АО брэгговских решеток, образующих резонатор Фабри-Перо (РФП). Решение первой задачи открывает возможность варьирования полосы пропускания АО фильтра. Вторая задача важна для продвижения в области лазерных интерферометрических детекторов гравитационных волн, где использование «зеркал» для РФП на основе АО брэгговских решеток вместо многослойных структур могло бы повысить селективность. Полученные в работе результаты моделирования показали необходимость учета затухания звука.

Одной из важнейших задач, связанных с использованием АО фильтров, допускающих произвольную спектральную адресацию, является выбор алгоритма адресации в ходе измерения (поскольку с их помощью реализовать можно любой алгоритм). В задачах регистрации линейчатых спектров разработан метод, названный фрагментарной спектральной регистрацией (ФСР), позволяющий выбрать оптимальное (с точки зрения определения химического состава) подмножество спектральных линий, что позволяет существенно (на 1-2 порядка) сократить время измерения.

Для сплошных спектров разработан принципиально новый метод спектральной регистрации, основанный на теореме Котельникова и на доказанной ранее теореме о финитности фурье-образа функции пропускания АО фильтров. Метод заключается в измерении спектра на множестве эквидистантных точек и однозначном восстановлении спектральной функции во всех промежуточных точках. Этот метод, названный единообразной спектральной реконструкцией (ЕСР), позволяет корректно (без систематической погрешности) сравнивать и математически обрабатывать спектры, измеренные на разных приборах в разное время.

Также в ходе работ был создан макет управляемого АО фильтра (на основе пилообразной частотной модуляции), который будет использован для экспериментальной проверки теоретических моделей.

По работам, относящимся к дополнительным целям проекта, был проведен ряд теоретических и экспериментальных исследований, позволивших получить важные результаты.

Впервые решена задача об искажениях изображения в ходе дифракции обыкновенного поляризованного света (о->е). Это позволяет рассчитать искажения по всему полю зрения АО фильтра, тогда как до сих пор можно было проводить лишь общие оценки степени искажений и с точностью на порядок ниже. В сочетании с ранее полученными авторами аналитическими формулами для дифракции типа е->о это позволяет точно рассчитывать трансформацию изображений в двойных АО монохроматорах (е->о->е или о->е->о), где многие искажения могут быть взаимно компенсированы. Это открывает возможность снижения аберраций в АО гиперспектральных приборах.

Впервые экспериментально продемонстрирована возможность АО фильтрации интерферирующих пучков. При дифракции на объемной движущейся решетке интерференционная картина сохранялась во всех точках изображения (>300×300 пикселей) с высоким качеством, что позволяет использовать этот подход для оптической когерентной томографии с регистрацией в спектральной области (ОКТ СО). Предварительные оценки показывают возможность достижения рекордной производительности (для задач относительно низкого пространственного разрешения ≥1 мкм) за счет регистрации спектральных интерференционных картин в полном поле.

На основе ранее проведенного авторами анализа рассчитан двухлучевой АО фильтр. позволяющий одновременно и в одном месте акустической решетки фильтровать два пучка с разным направлением распространения и разной поляризацией, что позволяет получить стереопару с поляризационным разделением на длине волны, определяемой настройкой АО фильтра. Этот результат делает возможным реализацию спектральной стереоскопии изображений. Это позволит моделировать механизмы зрительного восприятия (видения) не только по цветовым характеристикам, но и обеспечивать «объемность».

© НТЦ УП РАН, 2008-2018