Статьи журнала - Компьютерная оптика
Все статьи: 2572
Перспективы создания оптических аналоговых вычислительных машин
Статья научная
В статье рассматривается возможность создания аналоговых вычислительных машин, в которых переменной величиной является характеристика светового потока. Описываются существующие подходы к реализации базовых операций: сложения, разделения и усиления сигналов, дифференцирования и интегрирования. Приводятся результаты численных и оптических экспериментов, подтверждающих возможность создания оптических аналоговых вычислительных машин, а также обобщённые данные по точности и энергетической эффективности выполнения операций.
Бесплатно
Плазмон-поляритоны Дьяконова вдоль гиперболического метаматериала
Статья
Рассмотрены диссипативные плазмон-поляритоны типа поверхностных волн Дьяконова вдоль плоской границы гиперболического метаматериала с произвольной ориентацией кристаллографической оси. Найдены условия существования быстрых, медленных, втекающих, вытекающих, прямых и обратных плазмон-поляритонов. Рассмотрен волновод в виде асимметричного слоя гиперболического метаматериала. Приведено выражение для плотности электромагнитной энергии в таком метаматериале.
Бесплатно
Статья научная
Для светового поля, в центре которого имеются одновременно фазовая и поляризационная сингулярности, получены выражения для распределения плотности спинового углового момента в окрестности острого фокуса апланатической системы. Полученные выражения включают радиальную, азимутальную и продольную составляющие спинового углового момента. В качестве частных случаев рассмотрена фокусировка оптических вихрей с радиальной, азимутальной и седловой поляризацией. На примере узкого кольцевого пучка показано, что в фокальной плоскости имеются области, где отсутствует продольная составляющая спинового углового момента (как у фотонного колеса) или она на порядок меньше поперечной составляющей.
Бесплатно
Плотность углового момента параксиального оптического вихря с круговой поляризацией
Статья научная
Получены общие аналитические выражения для вектора плотности углового момента параксиального оптического вихря с эллиптической поляризацией. Показано, что для любого вихревого поля с радиальной симметрией и круговой поляризацией имеет место эффект «углового трактора», то есть поток световой энергии вращается вокруг оптической оси по часовой или против часовой стрелки на разных радиусах в поперечном сечении пучка. Также показано, что осевая проекция плотности углового момента вихревого светового поля меняет знак на тех же радиусах в сечении пучка. То есть микрочастицы, захваченные в вихревой пучок на разных радиусах, будут вращаться либо по часовой стрелке, либо против часовой.
Бесплатно
Площадь дискового покрытия - дескриптор формы изображения
Статья научная
Рассматривается понятие «ширина фигуры» применительно к объектам сложной формы с целью использования в качестве интегрального морфологического дескриптора в задачах распознавания изображений. Предлагается подход к описанию этого понятия на основе покрытия фигуры дисками определенного размера. В качестве дескриптора формы используется функция, отражающая зависимость площади дискового покрытия от размера дисков. Предлагается метод аналитического вычисления площади покрытия для многоугольных фигур. Универсальность метода определяется возможностью аппроксимации многоугольными фигурами растровых изображений и объектов с нелинейной границей. Метод основан на использовании медиального представления фигуры в виде скелета и радиальной функции. Предлагаемый метод обеспечивает высокую точность и вычислительную эффективность расчёта площади дискового покрытия. Эффективность предлагаемого дескриптора формы демонстрируется на примере приложения к задаче распознавания компьютерных шрифтов.
Бесплатно
Статья научная
В статье представлен новый метод измерения спектра оптических вихрей (квадраты амплитуд и начальные фазы), а также орбитального углового момента без разрезов и склеек волнового фронта массива сингулярных пучков. Такое расширение возможностей измерения свойств комбинированных вихревых пучков достигается посредством регистрации моментов интенсивности светового пучка в целом без разрушения его внутренней структуры. Степень корреляции исходного распределения интенсивности и распределения интенсивности, с учётом экспериментально полученного спектра вихрей колеблется между 83 - 89%, что указывает на надёжность представленного метода. Поскольку анализ спектра вихрей осуществляется за счёт разложения поля по базису пучков Лагерра-Гаусса порядка ( m,0), то анализ и восстановление поля возможны только за счёт его разложения по линейной комбинации оптических вихрей.
Бесплатно
Статья научная
В данной статье моделировалась фокусировка оптических вихрей с длиной волны 532 нм и правой круговой поляризацией плоской дифракционной линзой с числовой апертурой 0,95. Моделирование осуществлялось с помощью формул Ричардса - Вольфа и методом FDTD. Рассматривалась фокусировка оптических вихрей с топологическими зарядами, равными ±1 и ±2. Было показано, что при фокусировке оптических вихрей с круговой поляризацией широкоапертурной дифракционной линзой в фокусе можно наблюдать отрицательные значения продольной компоненты вектора Пойнтинга. При фокусировке оптических вихрей с правой круговой поляризацией и топологическими зарядами ±1 и +2 распределение отрицательных значений продольной компоненты вектора Пойнтинга имеет вид колец. Если же топологический заряд оптического вихря равен -2, то это распределение приобретает пиковый характер.
Бесплатно
Поверхностная модификация кварцевого стекла импульсами пикосекундного лазера
Статья научная
Описан экспериментальный стенд для исследования процессов прямого формирования микро- и наноструктур на поверхности кварцевого оптического стекла импульсами пикосекундного ультрафиолетового лазера. Предложен метод контроля абляции на основе датчика Шека-Гартмана. Синтезированы кратеры испарения на поверхности кварца глубиной от 23 ± 4 нм до 144 ± 18 нм с хорошим качеством края при плотностях мощности от 0,57 × 1012 Вт/см2 до 31 × 1012 Вт/см2 соответственно. Более интенсивные режимы лазерной обработки приводят к образованию трещин и сколов на поверхности материала, менее интенсивные - к появлению каёмок плавления. Проведено исследование полученных структур с помощью атомно-силового микроскопа. Установлена скорость абляции кварцевого стекла при обработке импульсами пикосекундной длительности.
Бесплатно
Статья научная
Проведён краткий обзор методов повышения дифракционной эффективности оптических элементов, синтезированных путём прямой лазерной записи. Отмечено, что предложенные ранее методы записи топологии подобных элементов с применением объёмных или поверхностных контурных масок не обеспечивают окончательного решения проблемы повышения дифракционной эффективности. Выполненные модельные и натурные эксперименты по формированию структур рельефно-фазовых оптических элементов путём записи профилей зон с помощью наклонных лазерных пучков показали принципиальную возможность формирования отвесных склонов обратных скатов зон и целесообразность развития данной технологии на основе лазерных генераторов изображений.
Бесплатно
Повышение пространственного перекрытия резонансных мод фотоннокристаллического нанорезонатора
Статья научная
Предложены и численно исследованы новые фотоннокристаллические резонансные камеры с высоким коэффициентом пространственного перекрытия ортогонально-поляризованных резонансных мод. Рассмотренные камеры позволяют выполнять независимую настройку частот двух резонансных мод. Исследован вариант резонансной камеры с вырожденными модами. Рассчитаны характеристики резонансной камеры с симметрично расположенными круглыми отверстиями. Показано, что использование резонансной камеры со щелевыми отверстиями позволяет повысить коэффициент перекрытия резонансных мод, а использование закрытых щелевых отверстий позволяет повысить добротность резонатора. Исследовано влияние материалов с различным индексом рефракции, заполняющих щели в резонаторе, на добротность резонатора и модовый объём.
Бесплатно
Повышение пространственного разрешения сигналов в оптических системах
Статья научная
Восстановление сигнала в промежутках между дискретными значениями играет огромную роль при решении задачи пространственного сверхразрешения в оптической микроскопии и цифровой голографии. В статье рассмотрен вопрос восстановления высокоразрешающих элементов изображений по некоторому числу сдвинутых на субпиксельную величину растров. Числовые значения отсчетов изображения получаются путем пространственного интегрирования по некоторой конечной площадке регулярных растров. Повышение пространственного разрешения осуществляется с помощью аналитического выражения для спектра дискретных сигналов, полученного с использованием аппарата обобщенных функций. В отличие от идеальной дискретизации спектр функции дополняется множителем, вид которого зависит от вида апертуры. Для получения высокоразрешающих элементов изображения необходимо разделить Фурье-спектр дискретизированного изображения на множитель, зависящий от выбранной апертуры. Спектр апертуры обычно известная функция, поэтому если известен спектр изображения, полученного усреднением с некоторой апертурой, то можно получить и спектр исходного изображения. Используются апертуры различных форм, например, эллиптические, ромбовидные, гексагональные, но наиболее часто используются апертуры прямоугольной формы. В статье приведены результаты моделирования для прямоугольной апертуры, но при замене, например, на набор регулярных апертур в виде круга выражение будет верно и для регулярных круговых растров. Аналитическое выражение для спектра изображения может быть использовано для восстановления спектра исходного изображения. Получив от него обратное Фурье-преобразование, можно получить исходное изображение. При повышении пространственного разрешения появляется возможность проводить исследования методами цифровой голографии объемных диффузных объектов с качеством аналоговой (при регистрации на фотографические среды) голографии и создания оптических систем сверхразрешения на базе оптических микроскопов.
Бесплатно
Статья научная
Для повышения равномерности глубины зоны образования нанопористой структуры в приповерхностном слое металлических материалов при воздействии лазерного излучения с высокой частотой следования импульсов предлагается использовать оптическую систему на основе подвижного фокусатора излучения в отрезок. Это предоставляет возможность целенаправленно изменять распределение интенсивности излучения в области лазерного воздействия. Выравнивание температурно-скоростных режимов в зоне термического влияния позволяет обеспечить равномерную глубину зоны обработки металлических материалов.
Бесплатно
Повышение разрешающей способности с помощью вытянутых сфероидальных волновых функций
Статья научная
Вытянутые сфероидальные волновые функции нулевого порядка применены для повышения разрешающей способности изображений, получаемых оптическими системами с ограниченным зрачком. Проведено сравнение данного подхода с линейной интерполяцией и интерполяцией с помощью функций отсчетов (функций Котельникова). Рассмотрен одномерный случай, который легко обобщается на двумерный для прямоугольного зрачка.
Бесплатно
Статья научная
В данной работе предложен алгоритм повышения степени сжатия и визуального качества при иерархической компрессии. Алгоритм основан на использовании предварительной фильтрации, приводящей изображение к виду, более «приспособленному» для иерархического сжатия. Проведено экспериментальное исследование разработанного алгоритма, показано преимущество схемы с предфильтрацией над базовым методом по коэффициенту сжатия и по визуальному качеству.
Бесплатно
Повышение точности измерения температуры по тепловизионным изображениям
Статья научная
Для повышения точности дистанционного косвенного метода измерения температуры используется многооткликовая регрессионная модель зависимости амплитуд пикселей тепловизионного изображения от температуры. Полученная модель позволяет рассчитать общую оценку температуры и её дисперсию по всем пикселям и с учётом корреляционных связей ошибок наблюдений амплитуд.
Бесплатно
Повышение энергоэффективности нейросетевых вычислений с использованием NVDLA на ПЛИС
Статья научная
На сегодняшний день актуальна проблема создания высокопроизводительных и энергоэффективных аппаратных платформ для решения задач искусственного интеллекта. Популярным решением этой проблемы является использование ускорителей глубокого обучения для запуска нейросетей, таких как графические процессорные устройства и тензорные процессорные устройства. Компания NVIDIA предлагает программный комплекс NVDLA, позволяющий конструировать нейросетевые ускорители на базе открытого исходного кода. Данная статья описывает полный цикл создания прототипа ускорителя NVDLA на ПЛИС, а также тестирование полученного решения путем запуска на нем нейронной сети resnet-50. В завершение предоставляется оценка производительности и энергопотребления прототипа NVDLA ускорителя относительно GPU и CPU, результаты которой показывают превосходство NVDLA по многим характеристикам.
Бесплатно
Повышение эффективности анализа КТ-изображений с помощью новых текстурных радиомических признаков
Статья научная
В статье рассматривается развитие методов извлечения признаков из медицинских изображений для улучшения диагностики и анализа данных в онкологии. Представлены три новых радиомических признакадля анализа КТ-изображений легких: адаптивный контраст текстуры, направленная однородность текстуры и совместная встречаемость текстурных переходов. Эти признаки специально разработаны для улучшения анализа КТ-изображений легких, что может оказать значительное влияние на точность диагностики и распознавание мутаций EGFR. В статье подробно описаны методы и алгоритмы, использованные для создания и тестирования этих признаков, а также представлены результаты, демонстрирующие улучшение показателей Accuracy и Precision на 4 % для задачи обнаружения мутаций EGFR по сравнению с традиционными методами. Это исследование подчеркивает потенциал интеграции новых радиомических признаков в клиническую практику для более точной и эффективной диагностики рака легких.
Бесплатно
Повышение эффективности анализа изображений МРТ головного мозга с использованием отбора признаков
Статья научная
В данной статье рассматривается возможность повышения качества анализа изображений МРТ головного мозга в различных режимах сканирования путем использования алгоритмов жадного отбора признаков. Всего было рассмотрено пять последовательностей МРТ. Формирование текстурных признаков производилось с использованием програм-много комплекса MaZda. С использованием алгоритма рекурсивного отбора признаков удалось повысить точность определения типа опухоли с 69 % до 100 %. С помощью комбинированного алгоритма отбора признаков удалось повысить точность определения необходимости лечения пациента с 60 % до 78 % и с 81 % до 88 % в случае использования дополнительного класса, содержащего в себе данные пациентов, у которых точный результат лечения не известен. Использование текстурных признаков в совокупности с признаком, отвечающим за тип менингиомы, позволило однозначно определить необходимость лечения пациента.
Бесплатно
Статья научная
Рак легких с его высоким уровнем смертности представляет собой серьезную проблему в онкологии, в основном из-за бессимптомного характера ранних стадий, что затрудняет своевременную диагностику. В данной статье рассматривается интегрированный подход с использованием глубокого обучения и признаков радиомики для улучшения обнаружения и прогнозирования генетических мутаций в узловых образованиях легких, тем самым продвигая границы персонализированной медицины в контексте рака легких. В работе используются сверточные нейронные сети и трансформеры, что позволяет анализировать изображения компьютерной томографии для сегментации легочных узелков и прогнозирования значимых генетических мутаций, в частности EGFR и KRAS. Наш интегрированный подход, в частности сочетание YOLOv7 с DeepLabv3 и признаками текстур, показал высокие результаты, достигнув Accuracy 98,5% и Precision 96% в задачах сегментации, а также высоких показателей Accuracy 97,8% и 98% для прогнозирования мутаций EGFR и KRAS соответственно с помощью сочетания глубокого обучения и радиомики.
Бесплатно
Статья научная
Классификация типов подстилающей поверхности по мульти- и гиперспектральным изображениям традиционно осуществляется на основе анализа диаграмм рассеяния значений пикселей в многомерном пространстве признаков, в качестве которых используются яркости в отдельных каналах. Для повышения достоверности классификации используются подходы, основанные на учете характеристик каждого пикселя и пикселей его ближайшей окрестности, т.е. на совместном анализе спектральных и пространственных признаков. В данной работе на тестовом гиперспектральном изображении выполнены исследования эффективности методов спектрально-пространственной классификации данных, учитывающих пространственную информацию на различных этапах обработки. Особое внимание уделено подбору размера ядра пространственной обработки. Продемонстрировано, что включение в анализ окрестностей пикселей на любом этапе повышает точность классификации, однако наибольшую эффективность демонстрируют методы предварительной обработки исходных данных. При этом лучшие результаты достигаются при сочетании предварительной обработки сырых данных (до выполнения процедур попиксельной спектральной классификации) и апостериорной обработки результирующих картосхем. Отмечена перспективность многомасштабного сглаживания исходных изображений с кратным количеству масштабов увеличением числа спектрально-пространственных признаков, позволяющего исключить процедуру предварительного подбора масштаба пространственной обработки.
Бесплатно
