多角度倾斜光下色散与强度传输方程融合的相位恢复

论文摘要

强度和相位通常用来描述光波场的性质。但是,现有的图像采集系统因光场较高的振荡频率,往往只能测量光场的强度变化,而携带物体大部分信息的相位却无法直接获得。如何将未知的相位信息用已知的强度分布计算与表示,即为相位恢复。如今,在自适应光学、光学测量、材料物理学、X射线衍射成像、光学显微镜成像等众多领域中,相位恢复扮演着越来越重要的角色。基于强度传输方程的相位恢复是一种非干涉非迭代的相位恢复方法,它描述了单色光场中光轴垂直平面上的光波相位与轴向强度变化量的定量关系。通过求解二阶椭圆型偏微分方程就可以直接获得相位的定量信息。该方法具有非干涉、非迭代、不存在一般干涉测量中的相位包裹问题等优点,但是也受限于单色光的理论前提。另一方面,强度传输方程的求解过程中需要获得轴向强度微分值,但是该微分不能直接获得,通常需要利用两个或多个与光轴垂直平面上的强度分布的数值差分近似得到。因此,强度图像的精确采集显得尤为重要。经典的图像采集系统主要包括了4f系统和单透镜系统。但在实际图像采集过程中会出现两个问题:一是强度图像的采集通常需要移动待测物体或者CCD,这不可避免的会引起速度慢,精度低等问题。二是系统所使用的透镜孔径尺寸具有一定的限制作用,会对恢复相位的分辨率造成影响。针对以上出现的问题,本文提出了相应的改进算法。具体创新点和工作如下:(1)提出了色散与强度传输方程融合的相位恢复方法。通过设置使不同中心波长的光经过透镜系统后在同一位置成像,实现在不机械移动的情况下获得聚焦和散焦强度图像的目的,再利用散焦量与波长的关系结合强度传输方程计算出物体的相位信息。所提方法拓宽了强度传输方程在多波长光源中的应用,特别是对将来应用于自然光场景的复杂相位重构提供有益的借鉴。(2)提出了多角度倾斜光调制下的相位恢复方法。在基于强度传输方程的相位恢复中引入多组不同角度的倾斜光,通过加载倾斜因子的空间光调制器,将具有不同波矢的平面波均匀垂直倾斜入射到物体上,使有限尺寸的透镜孔径可以覆盖更大范围的频率空间。对不同角度的倾斜光产生的复场求和从而扩大原始透镜孔径的通带。所提方法提高了系统在高频领域的成像能力且不用改变系统透镜的物理参数。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 论文结构与主要工作
• 第二章 光学理论基础
•   2.1 光波的数学描述
•     2.1.1 单色光
•     2.1.2 平面波
•     2.1.3 球面波
•   2.2 角谱传播和菲涅耳衍射
•     2.2.1 角谱传播
•     2.2.2 菲涅耳衍射
•   2.3 透镜的作用与性质
•     2.3.1 相位调制作用
•     2.3.2 傅里叶变换性质
•   2.4 基于强度传输方程的相位恢复
•     2.4.1 强度传输方程的推导
•     2.4.2 强度传输方程的求解
•   2.5 本章小结
• 第三章 色散与强度传输方程融合的相位恢复
•   3.1 经典的成像系统
•     3.1.1 4f光学成像系统
•     3.1.2 单透镜光学成像系统
•   3.2 4f系统中的CD-TIE
•     3.2.1 理论分析
•     3.2.2 模拟实验
•     3.2.3 真实实验
•   3.3 单透镜系统中的CD-TIE
•     3.3.1 理论分析
•     3.3.2 模拟实验
•     3.3.3 真实实验
•   3.4 本章小结
• 第四章 多角度倾斜光调制下的相位恢复
•   4.1 基于4f的多角度倾斜光调制系统与算法
•     4.1.1 理论分析
•     4.1.2 实验结果及分析
•   4.2 基于单透镜的多角度倾斜光调制系统与算法
•     4.2.1 理论分析
•     4.2.2 实验结果及分析
•   4.3 不同系统在不同光照条件下的实验对比
•   4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间取得的成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 邓会龙

导师: 程鸿

关键词: 相位恢复,色散,强度传输方程,倾斜光照,空间光调制器

来源: 安徽大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 安徽大学

分类号: O436.3

总页数: 64

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