叠层扫描成像系统的设计与实现

发布时间：2017-09-04 23:22

  本文关键词：叠层扫描成像系统的设计与实现

  更多相关文章： 叠层成像 相干衍射 成像质量 相位恢复 叠层隐藏

【摘要】：叠层成像是一种无透镜相干衍射技术,不受样品大小限制以及成像分辨率高,可移植性强,对光学平台的稳定性要求较低等优点,已经在可见光域,X射线等不同波段得到了实验证实。叠层成像系统在显微成像、三维形貌测量和信息安全等领域都有着广泛的应用前景。然而,目前关于叠层成像的许多研究还处于初级理论阶段,诸多影响成像性能的关键参量还有待研究。论文首先简要介绍了课题研究背景与意义,叠层成像系统的基本概念以及发展与应用,然后在分析叠层成像重建算法之前介绍了支撑其发展的理论基础,包括衍射微光学理论(主要讨论了基尔霍夫理论和角谱衍射理论)和相位恢复算法(GS算法,杨一顾算法)。在此基础上,本文主要做了以下创新性的研究：(1)设计了三种叠层成像系统来研究影响成像质量的三个关键参量,其分别为：基于单随机相位编码的叠层成像系统,基于探针多样化的广义叠层成像系统,和多波长的叠层成像系统。根据实验室现有条件,对于前两种仅进行了数值模拟研究,对于第三种系统同时采用了光学实验和数值模拟。研究表明：1.引入随机相位编码后,对应于不同探针的样品信息随机均匀分布到了一系列的衍射图样之中,显著提高了系统抵抗噪声的鲁棒性和算法的收敛速度；2.采用非对称和无规则的探针,能够有更大的自由度来调整探针之间的交叠率和探针之间交叠区域的分布,使得叠层成像更具可行性；3.多波长成像系统的成像性能更好,但是随着波长数量的增加,成像质量会达到一定极限。因此在实际的叠层扫描成像系统中,应该根据应用要求,实际操作条件和装置成本来选择合适的系统方案。(2)将叠层成像应用到信息安全中,建立了一种基于三维叠层成像的三维物体隐藏系统,使叠层成像系统更具实用性。三维物体的采集和叠层编码过程完全采用光学操作,光学实验和计算机模拟均表明该系统有较强的可行性和有效性。尤其是由于探针、波长以及切片之间的距离都可以作为密钥,该系统具有更高的安全性。并且,该系统还能实现高质量的物体隐藏和提取,具有很高的鲁棒性来抵抗噪声和阻塞攻击。
【关键词】：叠层成像 相干衍射 成像质量 相位恢复 叠层隐藏
【学位授予单位】：中国科学院大学(工程管理与信息技术学院)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 课题研究背景与意义9-10
• 1.2 叠层成像的基本概念10-12
• 1.3 叠层成像的发展与应用12-15
• 1.3.1 三维叠层成像显微技术12-13
• 1.3.2 叠层成像用于光学图像加密13-14
• 1.3.3 傅里叶域叠层成像显微技术(FPM)14-15
• 1.4 本文主要研究内容15-17
• 1.4.1 研究目标和内容15-16
• 1.4.2 内容组织结构16-17
• 第二章 叠层成像系统的理论基础17-29
• 2.1 衍射微光学基本理论17-23
• 2.1.1 几种典型的衍射计算方法17-20
• 2.1.2 基尔霍夫衍射理论和衍射的角谱理论20-23
• 2.2 相位恢复算法23-25
• 2.2.1 GS算法23-24
• 2.2.2 杨-顾算法24-25
• 2.3 叠层成像的重建算法25-28
• 2.3.1 pPIE算法26-28
• 2.3.2 ePIE算法28
• 2.4 小结28-29
• 第三章 叠层成像系统的设计29-39
• 3.1 基于单随机相位编码的叠层成像系统29-33
• 3.1.1 成像系统的设计原理29-30
• 3.1.2 成像系统的重建算法30-32
• 3.1.3 可行性数值模拟验证32-33
• 3.2 探针多样化叠层成像系统33-38
• 3.2.1 成像系统的设计方案34
• 3.2.2 可行性数值模拟验证34-38
• 3.4 小结38-39
• 第四章 多波长叠层成像系统的实现39-51
• 4.1 系统原理及算法39-41
• 4.1.1 多波长叠层成像的基本原理39-40
• 4.1.2 系统的软件操作算法40-41
• 4.2 数值模拟结果及分析41-45
• 4.2.1 不同波长复原效果对比41-44
• 4.2.2 噪声对复原效果的影响44-45
• 4.3 实验及分析45-50
• 4.3.1 实验装置45-46
• 4.3.2 恢复结果及分析46-50
• 4.4 小结50-51
• 第五章 基于三维叠层成像的三维物体隐藏系统51-67
• 5.1 系统描述51-52
• 5.2 系统算法分析52-56
• 5.2.1 系统编码和隐藏过程52-54
• 5.2.2 提取和重建过程54-56
• 5.3 三维物体隐藏实验56-59
• 5.4 三维物体隐藏的数值模拟分析59-65
• 5.4.1 安全性分析61-64
• 5.4.2 鲁棒性分析64-65
• 5.5 结论65-67
• 第六章 总结与展望67-69
• 6.1 论文的核心工作和主要研究成果67-68
• 6.2 未来的工作展望68-69
• 参考文献69-73
• 致谢73-75
• 个人简历、在学期间发表的论文与研究成果75

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本文编号：794449