najoNanosystems: Physics, Chemistry, MathematicsНаносистемы: физика, химия, математика2220-80542305-7971Университет ИТМОnajo-1205Research ArticleСтатьиWavefront reconstruction with a reference-free digital CCD-registration of multispectral speckle-patternsВосстановление волнового фронта при безопорной цифровой ПЗС-регистрации мультиспектральных спекл-картинПетровН. В.PetrovN. V.

Санкт-Петербург

Nickolai.Petrov@gmail.comБеспаловВ. Г.BespalovV. G.

Санкт-Петербург

ВолковМ. В.VolkovM. V.Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптикиРоссияНаучно-исследовательский институт физики им. В. А. ФокаРоссия201118082025218290Copyright © Petrov N.V., Bespalov V.G., Volkov M.V., 20252025Петров Н.В., Беспалов В.Г., Волков М.В.Petrov N.V., Bespalov V.G., Volkov M.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nanojournal.ifmo.ru/jour/article/view/1205

.

В работе представлен метод восстановления волнового фронта, основанный на использовании набора спекл-картин, сформированных различными длинами волн, и итерационном алгоритме решения уравнения распространения волн в различных плоскостях объема спекл-поля. С помощью численного моделирования восстановлены изображения амплитудных и фазовых объектов и показана возможность расширения данной методики с использованием распределений интенсивностей, записанных в разных плоскостях объема спекл-поля. Экспериментально продемонстрирована возможность восстановления волнового фронта с использованием спекл-картин на трех длинах волн, соответствующих спектральной чувствительности RGB-каналов ПЗС-матрицы, или излучения спектральных компонент суперконтинуума. Первое позволяет записывать три различных распределения интенсивности за одну экспозицию, что дает преимущества при анализе быстропротекающих процессов. Второй вариант подразумевает использование большого количества длин волн, что обеспечивает более быструю и точную сходимость метода, и привлекает простотой и надежностью схемы записи, использующей волоконные оптические элементы.

фазовая проблемавосстановление волнового фронтаспеклытеория диффракцииРабота выполнена при поддержке программы «У.М.Н.И.К» и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, ГК No. П872.ReferencesGerchberg R.W, Saxton W.O. Phase determination from image and diffraction plane pictures in the electron microscope // Optik, 1971, 34, 275-284.Gerchberg R.W, Saxton W.O. Phase determination from image and diffraction plane pictures in the electron microscope // Optik, 1971, 34, 275-284.Gerchberg R.W, Saxton W.O. A practical algorithm for the determination of the phase from image and diffraction plane pictures // Optik, 1972, 35, 237-246.Gerchberg R.W, Saxton W.O. A practical algorithm for the determination of the phase from image and diffraction plane pictures // Optik, 1972, 35, 237-246.Fienup J.R. Phase retrieval algorithms: a comparison // Appl. Opt. 1982, 21, 2758-2769.Fienup J.R. Phase retrieval algorithms: a comparison // Appl. Opt. 1982, 21, 2758-2769.Воронцов М.А., Сивоконь В.П. Итерационные методы восстановления фазы по распределению интенсивности // Голография и ее применение, 1986. ФТИ, Л.Воронцов М.А., Сивоконь В.П. Итерационные методы восстановления фазы по распределению интенсивности // Голография и ее применение, 1986. ФТИ, Л.Ivanov V.Yu., Sivokon,V.P., Vorontsov M.A. Phase retrieval from a set of intensity measurements: theory and experiment // J. Opt. Soc. Am. A, 1992, 9, 1515-1524.Ivanov V.Yu., Sivokon,V.P., Vorontsov M.A. Phase retrieval from a set of intensity measurements: theory and experiment // J. Opt. Soc. Am. A, 1992, 9, 1515-1524.Pedrini G., Osten W., Zhang Y., Wave-front reconstruction from a sequence of interferograms recorded at different planes // Opt. Lett. 2005, 30, 833-835.Pedrini G., Osten W., Zhang Y., Wave-front reconstruction from a sequence of interferograms recorded at different planes // Opt. Lett. 2005, 30, 833-835.Almoro P., Pedrini G., Osten W., Complete wavefront reconstruction using sequential intensity measurements of a volume speckle field // Appl. Opt. 2006, 45, 8596-8605.Almoro P., Pedrini G., Osten W., Complete wavefront reconstruction using sequential intensity measurements of a volume speckle field // Appl. Opt. 2006, 45, 8596-8605.Almoro P., Maallo A., Hanson S., Fast-convergent algorithm for speckle-based phase retrieval and a design for dynamic wavefront sensing // Appl. Opt. 2009, 48, 1485-1493.Almoro P., Maallo A., Hanson S., Fast-convergent algorithm for speckle-based phase retrieval and a design for dynamic wavefront sensing // Appl. Opt. 2009, 48, 1485-1493.Gabor D. Light and Information // Progress in Optics, v. 1, 1, ed. E. Wolf, Amsterdam, 1961, 109-153.Gabor D. Light and Information // Progress in Optics, v. 1, 1, ed. E. Wolf, Amsterdam, 1961, 109-153.Малов А.Н. Спекл-структура когерентного изображения в терминах теории степеней свободы оптической системы // Голография: теоретические и прикладные вопросы, 1995, РИО ПГКУ, Москва-Тирасполь.Малов А.Н. Спекл-структура когерентного изображения в терминах теории степеней свободы оптической системы // Голография: теоретические и прикладные вопросы, 1995, РИО ПГКУ, Москва-Тирасполь.Kirkland E., Improved high resolution image processing of bright field electron micrographs: I. Theory // Ultramicroscopy 1984, 15(3), 151-172.Kirkland E., Improved high resolution image processing of bright field electron micrographs: I. Theory // Ultramicroscopy 1984, 15(3), 151-172.Allen L.J., Oxley M. P., Phase retrieval from series of images obtained by defocus variation // Opt. Commun. 2001, 199 (1-4), 65-75.Allen L.J., Oxley M. P., Phase retrieval from series of images obtained by defocus variation // Opt. Commun. 2001, 199 (1-4), 65-75.Петров Н.В., Беспалов В.Г. Использование многодлинноволновой цифровой спекл-фотографии для определения амплитудно-фазовых характеристик объекта // Сб. трудов V Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2007», Санкт-Петербург 2007. 78-79.Петров Н.В., Беспалов В.Г. Использование многодлинноволновой цифровой спекл-фотографии для определения амплитудно-фазовых характеристик объекта // Сб. трудов V Международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2007», Санкт-Петербург 2007. 78-79.Bao P., Zhang F., Pedrini G., Osten W., Phase retrieval using multiple illumination wavelengths // Opt. Lett. 2008, 33, 309-311.Bao P., Zhang F., Pedrini G., Osten W., Phase retrieval using multiple illumination wavelengths // Opt. Lett. 2008, 33, 309-311.Fienup J. R., Invariant error metrics for image reconstruction // Appl. Opt. 1997, 36, 8352-8357.Fienup J. R., Invariant error metrics for image reconstruction // Appl. Opt. 1997, 36, 8352-8357.Moh J., Low H.M., Wientjes G., Characterization of the Nikon D70 Digital Camera // Archive of projects of Stanford Center for Image Systems Engineering, EE 362/Psych 221, Stanford 2005. URL: http://scien.stanford.edu/pages/labsite/2005/psych221/projects/05/joanmoh/index.html (Accessed 10 January 2011).Moh J., Low H.M., Wientjes G., Characterization of the Nikon D70 Digital Camera // Archive of projects of Stanford Center for Image Systems Engineering, EE 362/Psych 221, Stanford 2005. URL: http://scien.stanford.edu/pages/labsite/2005/psych221/projects/05/joanmoh/index.html (Accessed 10 January 2011).Petrov N.V., Bespalov V.G., Gorodetsky A.A. Phase retrieval method for multiple wavelength speckle patterns // in Speckle 2010: "Optical Metrology Proc. SPIE 2010, Vol. 7387, 73871T.Petrov N.V., Bespalov V.G., Gorodetsky A.A. Phase retrieval method for multiple wavelength speckle patterns // in Speckle 2010: "Optical Metrology Proc. SPIE 2010, Vol. 7387, 73871T.Беспалов В.Г, Петров Н.В. Выделение спектральных компонент излучения суперконтинуума для использования в методе цифровой спекл-фотографии // Сб. трудов XII всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн». М.: МГУ, 2009.Беспалов В.Г, Петров Н.В. Выделение спектральных компонент излучения суперконтинуума для использования в методе цифровой спекл-фотографии // Сб. трудов XII всероссийской школы-семинара «Физика и применение микроволн». М.: МГУ, 2009.Петров Н.В, Беспалов В.Г. Многодлинноволновая цифровая спекл-фотография // Сб. конкурсных докладов Всероссийской молодежной конференции «VII Всероссийский молодежный Самарский конкурс научных работ по оптике и лазерной физике» 2009, СамГУ, Самара. 180-186.Петров Н.В, Беспалов В.Г. Многодлинноволновая цифровая спекл-фотография // Сб. конкурсных докладов Всероссийской молодежной конференции «VII Всероссийский молодежный Самарский конкурс научных работ по оптике и лазерной физике» 2009, СамГУ, Самара. 180-186.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.