Статьи журнала - Компьютерная оптика
Все статьи: 2609
Спин-орбитальная конверсия в остром фокусе светового пучка с круговой поляризацией
Статья научная
Известно, что при острой фокусировке оптического вихря с круговой поляризацией происходит спин-орбитальное преобразование. При этом обычно говорится, что продольная компонента вектора спинового углового момента трансформируется в продольную компоненту вектора орбитального углового момента. В этой работе показано, что начальный продольный спиновый угловой момент, усредненный по сечению пучка, сохраняется при фокусировке и часть продольной компоненты спинового углового момента трансформируется в поперечную компоненту спинового углового момента. Также и усредненный по сечению пучка начальный продольный поток энергии при фокусировке сохраняется и часть его продольной компоненты переходит в азимутальную компоненту. При этом продольная компонента вектора орбитального углового момента, усредненная по сечению пучка в фокусе, увеличивается как раз на величину, равную усредненному азимутальному орбитальному (каноническому) потоку энергии в фокусе. Азимутальный поток энергии в фокусе формируется из-за того, что свет с правой круговой поляризацией при фокусировке формирует два оптических вихря: поперечный с топологическим зарядом 2 с левой круговой поляризацией и продольный с топологическим зарядом 1.
Бесплатно
Спин-орбитальное взаимодействие в квазимонохроматических сингулярных пучках
Статья научная
Показано, что величина спин-орбитальной связи есть энергетическая эффективность передачи энергии между ортогонально поляризованными компонентами пучка. Энергетическая эффективность изменяется по мере распространения Гауссова пучка через анизотропный кристалл. Для фундаментального Гауссова пучка значение энергетической эффективности не может превышать 50 %, а для элегантных пучков Эрмита-Гаусса и Лагерра-Гаусса более высоких порядков энергетическая эффективность может достигать значения, близкого к 100 %. В то же время для обычных модовых пучков Эрмита-Гаусса и Лагерра-Гаусса высоких порядков энергетическая эффективность может лишь немного превышать 50 %. Показано, что пучки Бесселя-Гаусса нулевого порядка способны достигать энергетической эффективности, близкой к 100 %, при генерации осевого оптического вихря в ортогонально поляризованной компоненте пучка, при прохождении анизотропной среды как в монохроматическом, так и в полихроматическом свете. Показано, что для элегантных полихроматических пучков Лагерра-Гаусса или Эрмита-Гаусса энергетическая эффективность снижена до значения, не превышающего 50 %. Спиновый момент компенсируется изменением орбитального момента всего пучка, происходящим в результате разницы топологического заряда в ортогонально поляризованных компонентах на 2 единицы.
Бесплатно
Спин-орбитальное преобразование светового поля сразу за идеальной сферической линзой
Статья научная
Формулы Ричардса–Вольфа не только адекватно описывают световое поле в остром фокусе, но и позволяют описать световое поле сразу за идеальной сферической линзой, то есть на сходящемся сферическом волновом фронте. Зная все проекции векторов напряженности светового поля сразу за линзой, можно найти продольные компоненты спинового и орбитального угловых моментов. При этом продольная проекция спинового углового момента сразу за линзой либо остается нулем, либо уменьшается. Это означает, что сразу за линзой проявляется эффект спин-орбитального преобразования, когда часть «спина переходит в орбиту». При этом сумма продольных проекций спинового и орбитального угловых моментов сохраняется. Что касается спинового эффекта Холла, то он не формируется сразу за линзой, а появляется по мере фокусировки. То есть сразу за линзой нет эффекта Холла, а в фокусе он максимальный. Это происходит потому, что сразу за линзой формируются два оптических вихря с топологическими зарядами 2 и –2 и со спином разного знака, то есть с левой и правой круговой поляризацией. Но так как амплитуды этих вихрей одинаковые, то суммарный спин равен нулю. По мере фокусировки и в самом фокусе амплитуда у оптических вихрей становится разной, и поэтому появляются области со спином разного знака (эффект Холла). Например, если в начальном поле присутствовал оптический вихрь с топологическим зарядом n и линейной поляризацией, то сразу за линзой появятся два дополнительных оптических вихря с топологическими зарядами n+2 и n–2 и разными спинами. Эти вихри распространяются с разной расходимостью, и поэтому в фокусе будут иметь разную амплитуду, и их спины уже не будут компенсировать друг друга. Также найден общий вид начальных световых полей, у которых в фокусе продольная компонента поля нулевая. В этом случае у вектора спинового углового момента отличной от нуля может быть только продольная компонента. Вектор спинового углового момента, вытянутый в фокусе только вдоль оптической оси, используют в задачах магнетизации.
Бесплатно
Статья научная
Рассмотрена острая фокусировка осевой суперпозиции двух цилиндрических векторных пучков разных порядков. У такой суперпозиции в начальной плоскости индекс поляризационной сингулярности равен полусумме номеров двух цилиндрических векторных пучков в суперпозиции. У такой суперпозиции в начальной плоскости нет спинового углового момента и нет поперечного потока энергии. Показано, что при разной четности номеров двух цилиндрических векторных пучков в плоскости фокуса формируются области с продольной проекцией спинового углового момента разного знака и области с поперечным вращением световой энергии по замкнутым траекториям в разные стороны (по часовой и против часовой стрелки). То есть в плоскости фокуса имеют место продольные спиновый и орбитальный эффекты Холла. Если номера двух цилиндрических векторных пучков имеют одинаковую четность, то в плоскости фокуса поляризация неоднородная линейная и поток энергии (вектор Умова–Пойнтинга) имеет только продольную компоненту.
Бесплатно
Спиновый угловой момент в остром фокусе цилиндрического векторного пучка с оптическим вихрем
Статья научная
Рассмотрена острая фокусировка светового поля с двойной (фазовой и поляризационной) сингулярностью. С помощью метода Ричардса-Вольфа получено точное аналитическое выражение для продольной проекции вектора спинового углового момента в фокусе. Из этого выражения следует, что в фокусе формируются 4( n - 1) субволновые области, n - порядок цилиндрического векторного пучка, центры которых лежат на окружности определенного радиуса с центром на оптической оси. Причем в соседних областях знак спинового углового момента разный. Это означает, что в соседних областях в фокусе свет имеет левую и правую эллиптические поляризации (спиновый эффект Холла). В центре фокуса вблизи оптической оси имеет место правая эллиптическая поляризация ( m > 0) или левая эллиптическая поляризация, если m 0 против часовой стрелки, а при m
Бесплатно
Спиновый угловой момент гауссовых пучков с несколькими поляризационными сингулярностями
Статья научная
Исследован параксиальный векторный Гауссов пучок с несколькими поляризационными сингулярностями, расположенными равномерно на окружности. Такой пучок является суперпозицией цилиндрически поляризованного пучка Лагерра-Гаусса с линейно поляризованным Гауссовым пучком. Показано, что, несмотря на линейную поляризацию в начальной плоскости, при распространении в пространстве формируются чередующиеся области с плотностью спинового углового момента разного знака, что свидетельствует о спиновом эффекте Холла. Установлено, что в любой поперечной плоскости максимальный по величине спиновый угловой момент достигается на окружности определённого радиуса. Получено приближённое выражение для расстояния до поперечной плоскости с максимальной плотностью спинового углового момента. Кроме того, получен радиус окружности с сингулярностями, для которого достижимая плотность спинового углового момента максимальна. Обнаружено, что в этом случае энергии пучков Лагерра-Гаусса и Гаусса равны. Получено выражение для плотности орбитального углового момента, и установлено, что она равна плотности спинового углового момента, умноженной на - m /2, где m - порядок пучка Лагерра-Гаусса, равный числу поляризационных сингулярностей. Рассмотрена аналогия с плоскими волнами, и обнаружено, что спиновый эффект Холла возникает из-за разной расходимости у линейно поляризованного Гауссова пучка и у цилиндрически поляризованного пучка Лагерра-Гаусса.
Бесплатно
Статья научная
Исследован спиновой угловой момент двухпорядковых цилиндрических векторных пучков в остром фокусе. Такие пучки являются обобщением стандартных цилиндрических векторных пучков, поскольку у разных поперечных компонент поля порядок поляризации тоже разный. На основе теории Ричардса-Вольфа получено выражение для распределения плотности продольной составляющей спинового углового момента. Показано, что если порядки поляризации имеют разную чётность, то в остром фокусе возникает спиновый эффект Холла, то есть формируются чередующиеся области с положительным и отрицательным спиновым угловым моментом, хотя начальное поле имело линейную поляризацию. Исследован спектр угловых гармоник всех компонентов сфокусированного светового поля, и определены преобладающие угловые гармоники. Пренебрегая несущественными гармониками, определена форма распределения продольной составляющей плотности спинового углового момента и показана возможность формирования фокального распределения, в котором области с положительным и отрицательным спиновым угловым моментом находятся на кольце в виде чередующихся пар или разделены по разным полуокружностям.
Бесплатно
Спиновый эффект Холла при прохождении света с линейной поляризацией через метаповерхность
Статья научная
Рассчитана плотность продольной компоненты вектора спинового углового момента для параксиального векторного гауссова пучка с периодической одномерной модуляцией. У такого пучка спиновый угловой момент в начальной плоскости равен нулю и поляризация неоднородная линейная. А при распространении такого пучка в свободном пространстве из-за периодической модуляции он эффективно разделяется на два пучка, в которых будет левая и правая эллиптическая поляризация. То есть в сечении пучка области со спином разного знака разделены в пространстве, что является проявлением спинового эффекта Холла. Сформировать такой световой пучок можно с помощью метаповерхности, пропускание которой описывается периодической функцией одной из координат.
Бесплатно
Спиральная фазовая пластинка со множеством центров сингулярности
Статья научная
Рассмотрена мультиспиральная фазовая пластинка, у которой имеется множество центров сингулярности фазы, расположенных в произвольных точках в плоскости пластинки. Получены замкнутые выражения для топологического заряда вихревого поля в начальной плоскости сразу за обычной спиральной фазовой пластинкой и нормированного на мощность пучка орбитального углового момента. Топологический заряд в начальной плоскости равен сумме топологических зарядов каждой сингулярности, если их центры находятся внутри круглой апертуры конечного радиуса. Если часть центров сингулярности фазы лежит на границе круглой диафрагмы, ограничивающей обычную спиральную фазовую пластинку, то их топологический заряд в сумме нужно поделить на 2. Орбитальный угловой момент зависит от расположения центров сингулярности: чем дальше от центра пластинки расположен центр сингулярности, тем меньше вклад в орбитальный угловой момент. Если все центры сингулярности лежат на границе, ограничивающей мультиспиральную фазовую пластинку диафрагмы, то орбитальный угловой момент пучка равен нулю, хотя топологический заряд пучка в этом случае будет отличен от нуля.
Бесплатно
Спиральность пучков Пуанкаре в остром фокусе
Статья научная
В данном исследовании была рассмотрена спиральность пучков Пуанкаре с точки зрения формализма Ричардса–Вольфа. Было показано, что спиральность для пучков Пуанкаре всегда обладает радиальной симметрией и не зависит от азимутального угла пучка. Абсолютная величина спиральности максимальна, когда полярный угол пучка равен нулю или π (полюса на сфере Пуанкаре), и отсутствует, когда он равен π/2 (экватор на сфере Пуанкаре). Ненулевые значения спиральности на оптической оси наблюдаются для порядков пучка 0, 1 и 2. Если полярный угол пучка равен нулю, интенсивность пучков Пуанкаре с точностью до множителя совпадает со спиральностью.
Бесплатно
Спиральные пучки для замкнутых кривых как обобщение пучков Лагерра-Гаусса
Статья научная
В работе исследованы спиральные пучки как обобщение известных пучков Лагерра-Гаусса. Показано, что, подобно пучкам Лагерра-Гаусса, данное обобщение также описывается действием некоторого оператора. Найден ряд характеристик таких пучков: условие квантования, амплитуда, скалярное произведение и угловой момент, а также результат их астигматического преобразования. Полученные результаты могут представлять интерес для лазерных технологий и микроманипулирования.
Бесплатно
Сплайны как средство построения эффективных алгоритмов локального линейного преобразования
Статья научная
В работе рассматривается частное решение общей задачи синтеза эффективного алгоритма вычисления свертки, возникающее при использовании сплайнов для представления конечной импульсной характеристики (КИХ). Исходя из необходимых условий строгой эффективности индуцированного алгоритма, которые были сформулированы в предыдущей работе [13] в виде требований к неоднородному ЛРС (определяющему отсчеты КИХ), и установленной в настоящей работе явной связи между основными характеристиками сплайна и его представлением в виде ЛРС, приведено обоснование использования сплайнов для решения задачи синтеза эффективного алгоритма. Представлен алгоритм модели CR вычисления свертки, порождаемый произвольным сплайном с конкретными характеристиками. Приведены явные выражения для вычислительной сложности порождаемого алгоритма для случаев обобщенных и полиномиальных сплайнов. При ограничении множества сплайнов параметрами (порядок-число узлов) приведены верхние и нижние границы для вычислительной сложности порождаемых этими сплайнами алгоритмов вычисления свертки. Введено понятие МС-сплайнов, как сплайнов, для которых величина сложности реализации порождаемого ими алгоритма достигает своей нижней границы. Приведены примеры построения полиномиальных МС-сплайнов.
Бесплатно
Способ оценки четкости фотореалистичных изображений с высоким разрешением
Статья научная
В статье предлагается способ оценки четкости фотореалистичных изображений, основанный на сравнении коэффициента детальности оригинального и искаженного изображений. В алгоритме идентификации мелких структур оригинального изображения используются операции сегментации активных пикселей, к которым относятся точечные объекты, тонкие линии и фрагменты текстуры. Количество активных пикселей оценивается значением коэффициента детальности, которое определяется отношением активных пикселей к общему количеству пикселей изображения. Этот же алгоритм используется для вычисления значения коэффициента детальности искаженного изображения, и далее оценивается снижение четкости с помощью сравнения полученных значений. К особенностям способа относится то, что идентификация мелких структур и сегментация активных пикселей выполняется в нормированной системе N-CIELAB.Также в алгоритме учитывается влияние ложных микроструктур на результаты оценки реставрированного изображения. Рассматриваются особенности построения нейронных сетей SRCNN в задачах качественного повышения разрешения изображения с восстановлением мелких структур. Приводятся результаты анализа качества увеличенных изображений по традиционным метрикам PSNR и SSIM, а также по предлагаемому способу.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается задача подключения антенной решётки радиоизлучения к волоконно-оптической линии системы Radio-over-Fiber для широкополосного сигнала. Для устранения частотно-пространственной зависимости диаграммы направленности предложено включить излучатели антенной решётки через разработанное оптическое устройство, разветвляющее оптические сигналы в соответствии с заданными частотными полосами. Разработана методика расчёта структуры электромагнитного поля внутри рабочего тела предложенного оптического устройства. Установлено, что показатель преломления оптической рабочей области должен иметь требуемое 3D-распределение. Намечен подход к обеспечению заданного свойства.
Бесплатно
Способ управления качеством передачи мелких структур изображений в стандарте JPEG2000
Статья научная
В статье предлагается способ управления качеством передачи мелких структур изображений в стандарте JPEG2000 на основе автоматической регулировки параметров квантования коэффициентов дискретного вейвлет-преобразования. Описывается алгоритм настройки параметров шкалы квантования по субдиапазонам трансформации коэффициентов ДВП в зависимости от заданных (допустимых) искажений. Для объективной оценки качества изображений использованы числовые меры искажений мелких деталей в нормированной колометрической системе N-CIELAB, по которым выполняется анализ их структурных признаков. Приводятся результаты экспериментальных исследований анализа качества изображений и эффективности сжатия в зависимости от параметров квантования в разработанном адаптивном алгоритме сжатия. Также приводятся результаты оценки быстродействия алгоритма, которые могут быть использованы для практического применения в мультимедийных приложениях.
Бесплатно
Способ формирования вихревого поля СВЧ-диапазона
Статья научная
Предложена структура в виде неоднородности на торце круглого волновода, предназначенная для формирования вихревого поля СВЧ-диапазона. Проводится построение ее численной модели. Проведенные численные эксперименты подтверждают возможность формирования вихревого поля СВЧ-диапазона на предложенной структуре. В работе также выбран наиболее целесообразный материал для изготовления неоднородности на торце круглого волновода.
Бесплатно
Способ формирования цифрового водяного знака для физических и электронных документов
Статья научная
В статье предложен универсальный способ формирования водяного знака как для физических, так и для электронных документов. Подобный водяной знак может применяться как для проверки подлинности документов, так и для скрытой передачи информации. Описан порядок обмена информацией между сторонами для обоих случаев. Проведён анализ сложности обнаружения наличия водяного знака и извлечения встроенной информации третьей стороной, показавший работоспособность предложенного метода.
Бесплатно
Способы дискретизации энергетических характеристик двумерных случайных сигналов
Статья научная
Статья посвящена способам дискретизации энергетических характеристик двумерных случайных сигналов в рамках имитации случайных сигналов по оригинальному гармоническому методу, являющемуся обобщением известного алгоритма В.С. Пугачёва на двумерный случай. Требования к способу дискретизации выдвигаются с целью снижения вычислительной сложности метода имитации и повышения его гибкости за счёт снятия ограничений по виду автокорреляционных функций и функций спектральной плотности энергии. Предлагается применение погрешности имитации в роли критерия оценки качества. Способ дискретизации рассмотрен для сигналов, заданных как на неограниченных интервалах определения, так и на ограниченных. В статье продемонстрированы результаты работы программной системы, реализующей оригинальный метод имитации с применением описанных способов дискретизации, в обоих случаях. Показана работоспособность и эффективность полученных результатов, которые имеют как самостоятельное научно-техническое значение, так и могут быть использованы для разработки новых эффективных спектральных средств имитации сигналов для использования в интеллектуальных системах поддержки принятия решений.
Бесплатно
Способы повышения точности гармонического метода имитации двумерных сигналов
Статья научная
Статья посвящена рассмотрению свойств гармонического метода имитации в рамках спектральной теории и оценке качества этого метода. Проведён обзор литературы о существующих методах моделирования многомерных случайных полей, позволивший выполнить сравнение этих методов, при этом критериями сравнения были сложность алгоритма, вычислительные затраты и требования к памяти, требования к ковариационной функции и сетке. Выявлены слабые места, такие как недостаточная точность и высокая вычислительная сложность, характерные для спектральных методов имитации, к которым относится гармонический метод. Рассмотрены формы сымитированного гармоническим методом сигнала для разных базисов: обнаружено свойство центросимметричности для квадратных сигналов в базисе Фурье, подобное ему свойство для прямоугольных сигналов в базисе Фурье, свойство симметричности квадратного сигнала в базисе Хартли и отсутствие подобных свойств у прямоугольного сигнала, сымитированного в базисе Хартли. Проведён сравнительный анализ точности имитации двумерных сигналов, как частного случая многомерных, гармоническим методом в базисах Фурье и Хартли. Демонстрируется, что в зависимости от характеристик дискретизации сымитированный сигнал в базисе Фурье отличается от этого же сигнала, сымитированного в базисе Хартли, по точности. Как следствие выполненного исследования, сформированы рекомендации по выбору базиса в конкретной задаче имитации двумерных сигналов. Описано влияние обнаруженных свойств на вычислительную сложность метода. Предложены способы применения этих свойств для имитации произвольных двумерных сигналов.
Бесплатно
Сравнение алгоритмов выделения области интереса на компьютерных томограммах легких
Статья научная
Рассматривается автоматическое создание масок для выделения лёгких на компьютерных томограммах с помощью трёх подходов: метода Оцу, простой свёрточной нейронной сети, состоящей из 10 одинаковых слоёв, и свёрточной нейронной сети U-Net. Произведено исследование и сравнение используемых методов автоматического выделения области интереса на реальных изображениях компьютерной томографии лёгких, полученных в Клиниках СамГ-МУ. Решение данной задачи актуально, так как она является первым этапом при автоматизированном поиске патологических изменений на изображениях компьютерной томографии. Предложен алгоритм постобработки изображений, основанный на поиске контуров, который позволяет повысить качество сегментации. Сделан вывод о том, что U-Net выделяет область интереса, относящуюся к легкому, несколько лучше, чем два других подхода. При этом простая свёрточная нейронная сеть обеспечивает достоверность сегментации 97,5 %, что лучше достоверности сегментации 96,7 %, достигнутой с помощью метода Оцу, и лучше достоверности сегментации 96,4 %, достигнутой с помощью нейронной сети U-Net.
Бесплатно
