MAGNIFICAÇÃO HOLOGRÁFICA SEM LENTES POR SENSORIAMENTO ÓPTICO COMPRESSIVO

Abstract

With applications in areas such as microscopy, profilometry and metrology, digital holography has been used as an efficient optical technique for characterization and non-destructive measurements. The capacity of record and recovery the information of a field scattered by an object, provided the development of techniques that allow the measurement, with high accuracy, of quantities such as vibration's intensity and frequency, profile and deformation of surfaces, position and velocity mapping of particles, characterization of refractive indexes, among others. Despite the advantages, the low sampling rate of the acquisition systems and presence of factors such as speckle, white Gaussian read noise and twin-image, imposes limitations to the degree of detail that can be observed in the reconstructed image. This difficulty has motivated researches to optimize reconstruction techniques in order to obtain images with higher resolution and less noise. The objective of present work is to present an technique that combines the compressive sensing with holographic magnification for creation of a Compressive Holography Magnification method which is more efficient in using the information sensed by the holographic recording devices in favor of holographic reconstruction with gain of resolution and high immunity to noises, in order to provide greater visibility of details and precision in several measures that can be performed on the analyzed physical system. For that, we will explain the theory about holography and holographic magnification, compressive sensing and compressive holography, with developed applications in some areas as well as the challenges and difficulties arising from each process. Subsequently, we will demonstrate the theoretical basis for our proposal and present the conclusions about the obtained results after using the algorithm to reconstruct, in a magnified form, images from holograms recorded in an in-line holographic setup. The results will be compared with those obtained from traditional reconstruction by Fresnel transform and holographic magnification, in order to evaluate the noise immunity and the magnification efficiency. Finally, we will present the conclusions about the obtained results and future perspectives for research continuity.

Com aplicações em áreas como microscopia, perfilometria e metrologia, a holografia digital tem sido utilizada como uma eficiente técnica óptica para caracterização e medições não destrutivas. A capacidade de registro e recuperação de informação do campo espalhado por um objeto proporcionou o desenvolvimento de técnicas que permitem a medição, com grande precisão, de grandezas como intensidade e frequência de vibrações, perfil e deformação de superfícies, mapeamento de posição e velocidade de partículas, caracterização de índices de refração, entre outras. Apesar das vantagens que apresenta, a baixa frequência de amostragem dos sistemas de aquisição e a presença de elementos, como ruído speckle, gaussiano branco de leitura e imagem gêmea, impõem-se como limitação à quantidade de detalhes que podem ser observados na imagem reconstruída. Essas dificuldades têm motivado pesquisas que buscam otimizar as técnicas de reconstrução, com a finalidade de obter imagens com maior resolução e menor quantidade de ruídos. O objetivo do atual trabalho é apresentar uma técnica que combina o sensoriamento compressivo com a magnificação holográfica para a criação de um método de magnificação holográfica por sensoriamento compressivo que seja capaz de obter maior aproveitamento da informação sensoriada pelos dispositivos de registro holográfico, em prol da reconstrução do campo com ganho de resolução, e que tenha alta imunidade a ruídos, de modo a propiciar maior visibilidade de detalhes e precisão em diversas medidas que podem ser realizadas sobre o sistema físico analisado. Para isso, abordaremos a teoria sobre a holografia e a magnificação holográfica, o sensoriamento compressivo e a holografia compressiva, com algumas aplicações desenvolvidas em cada área, bem como os desafios e dificuldades mais relevantes para a utilização das técnicas apresentadas. Posteriormente, demonstraremos a base teórica para nossa proposta e os resultados obtidos após a utilização do algoritmo para reconstruir, de forma magnificada, imagens a partir de hologramas sintetizados numericamente e gravados em uma montagem experimental de holografia em linha. Com vistas a avaliar a imunidade a ruídos e a eficiência na magnificação, os resultados serão comparados com os obtidos pelos algoritmos tradicionais de reconstrução por transformação de Fresnel e de magnificação holográfica. Por fim, serão apresentadas as conclusões a respeito dos resultados obtidos e as perspectivas futuras para continuidade do desenvolvimento do trabalho.