基于抽样的波前相位恢复和相干衍射成像方法研究

发布时间：2017-06-11 18:02

  本文关键词：基于抽样的波前相位恢复和相干衍射成像方法研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：由于已有的光学记录材料或器件只能对光波的强度产生响应，怎样才能快速准确地从所记录的光场强度图样中将待测光波波前的相位信息检测或恢复出来一直是现代光学多个研究领域需要解决的一个关键问题。并且，由于波动现象的普遍性，波前相位信息的检测不仅仅是一个光学问题，也是物理学其他许多研究领域所关注的一个重要问题。特别是随着基于波前实时检测和补偿的自适应光学技术在激光核聚变、天体的高分辨率观测、人眼视网膜成像等领域的成功应用，以及基于波前相位恢复的无透镜衍射成像技术用于极紫外或X射线相衬成像研究的迅速开展，适用于不同应用环境和波长的快速波前检测或相位恢复技术已经成为该研究领域的一个前沿和热点研究内容。本论文针对波前相位恢复及相干衍射成像方法开展了理论分析和实验研究，主要研究章节内容如下： 1.第一章综述了目前已经开展的波前相位恢复和相干衍射成像的研究背景和研究进展。介绍了迭代重建波前、斜率波前测量等理论和应用；介绍了全息干涉测量原理和目前被广泛应用于大气光学、视光学等领域的哈特曼波前传感器的应用和发展，以及相干衍射成像技术的研究进展。分别给出了目前各种方法的研究进展和存在的不足。最后简要介绍了作为本文重点研究的内容基于阵列抽样的衍射成像方法。 2.第二章概述了相干衍射成像（CDI）中涉及的标量衍射和信息光学方面的基本概念和基本理论。先由麦克斯韦标量波动方程,推导出标量衍射理论，进一步给出了菲涅尔衍射、夫琅和费衍射的积分方程及其离散形式，简单分析了角谱传播方法。对本文中所涉及的抽样定理和离散傅里叶变换理论和公式进行了简要说明。 3.第三章研究了波前测量中经常涉及到的相位解缠问题。对几种常用的相位解缠方法进行了理论分析和总结；通过Matlab编程分别实现了基于逐行逐列解缠方法（RC）、枝切解缠方法（BC）、可信度引导解缠方法（RG）和最小二乘法（LS）的相位解缠，并对基于不同算法得到的相位解缠效果进行了比较分析。 4.第四章研究了基于迭代算法和随机阵列抽样的波前相位恢复和衍射成像方法。本章中，首先通过Matlab编程实现了分别基于GS算法、ER算法、HIO算法和TIE算法的波前相位恢复和衍射成像过程的计算机模拟，并对基于不同算法的模拟结果进行了比较和分析。在此基础上，提出了一种新的基于随机阵列抽样的波前相位恢复和衍射成像方法；并通过理论分析和模拟实验验证了该方法的可行性；通过模拟实验研究，我们还发现随机抽样屏的抽样密度存在一个最佳值。与在相同条件下采用传统方法的模拟结果进行比较可以看出，由于引入随机阵列抽样屏作为迭代相位恢复过程的约束条件，大大提高了迭代效率和衍射成像质量。 5.第五章和第六章研究了基于夫琅禾费衍射的非迭代阵列抽样衍射成像方法。研究了卷积可解阵列抽样屏的设计方法，并给出了设计实例；通过理论分析、计算机模拟和实验验证了基于夫琅禾费衍射的非迭代阵列抽样衍射成像方法。在此基础上，对基于卷积可解阵列抽样的相干衍射成像中物波抽样针孔大小和图像传感器的有效记录孔径对成像质量的影响做了理论分析和实验研究。通过理论分析首次给出了描述抽样孔径和记录孔径尺寸对波前测量影响的数学公式。通过理论分析和实验测量发现，并不是图像传感器的记录孔径越大,衍射重现像的信噪比就越高,而是存在一个获得最大信噪比的最佳记录孔径；通过数值分析首次给出了一个确定该最佳记录孔径的数学公式。该研究为设计和优化基于阵列抽样的相干衍射成像系统提供了理论依据。 6.第七章研究了基于菲涅耳衍射的阵列抽样波前测量和衍射成像方法。通过对待测波前通过阵列针孔抽样后的菲涅耳衍射光强度分布及其空间频谱特性的研究，提出了一种基于菲涅耳衍射的非迭代相干衍射成像方法.该方法采用特殊设计的卷积可解阵列抽样屏,通过对抽样物波的菲涅耳衍射强度图样进行非迭代的逆菲涅耳变换和滤波等数字处理实现被测物波复振幅信息的恢复,最后通过数字衍射得到物体的数字再现像，从而大大简化了光路，避免了傅立叶变换透镜的使用.通过与传统的无透镜菲涅耳全息成像结果的比较，进一步证明了阵列抽样屏的引入不仅可以简化波前相位恢复过程，还有助于提高系统的成像分辨本领。该研究成果为我们进一步发展高分辨无透镜衍射显微成像技术提供了一条新的可行途径。 7.第八章研究基于微孔阵列抽样的波前斜率测量方法。对基于阵列微孔抽样的波前斜率测量方法进行了理论分析和模拟实验研究，定量研究了微孔形状对测量精度的影响。在此基础上，提出了基于阵列环形微孔的改进方案。模拟了基于两种孔径阵列的波前测量过程。模拟结果表明，环孔阵列因为形成了比圆孔阵列更小的聚焦光斑，相应测量斜率值更精确，具有更高的波前分辨率测量能力。
【关键词】：抽样 相干衍射成像 迭代算法 波前恢复
【学位授予单位】：山东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O438.1
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 波前检测和相干衍射成像10-12
• 1.2 波前检测和成像研究的意义12-14
• 1.3 论文的主要工作14-16
• 第二章 标量衍射理论和离散傅立叶变换16-27
• 2.1 衍射的基本理论16-21
• 2.1.1 电磁场基本方程16-18
• 2.1.2 菲涅尔衍射和夫琅和费衍射18-19
• 2.1.3 角谱传播理论19-21
• 2.2 抽样定理21-24
• 2.3 傅里叶变换24-26
• 2.3.1 连续函数傅里叶变换24-25
• 2.3.2 离散傅里叶变换25-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第三章 光学相位测量中的二维相位解缠方法27-36
• 3.1 前言27
• 3.2 二维相位解缠算法27-31
• 3.3 RC、BC、RG、LS 四种方法模拟分析、实验及结论31-34
• 3.4 本章小结34-36
• 第四章 基于迭代算法和随机阵列抽样的波前相位恢复和衍射成像36-53
• 4.1 引言36-37
• 4.2 GS 基本算法37-41
• 4.3 混合算法41-47
• 4.3.1 HIO 混合算法41-44
• 4.3.2 TIE 混合算法44-47
• 4.4 基于随机阵列抽样的衍射迭代算法47-51
• 4.4.1 原理48-49
• 4.4.2 计算机模拟实验49-51
• 4.4.3 结论51
• 4.5 本章小结51-53
• 第五章 基于夫琅和费衍射的非迭代抽样波前检测和衍射成像53-63
• 5.1 理论分析53-59
• 5.2 计算机模拟59-60
• 5.3 实验60-61
• 5.4 本章小结61-63
• 第六章 阵列抽样衍射成像中抽样和记录孔径对再现像质的影响63-70
• 6.1 理论分析63-67
• 6.2 实验结果及讨论67-68
• 6.3 结论68-69
• 6.4 本章小结69-70
• 第七章 基于菲涅耳衍射的抽样波前检测及成像方法研究70-85
• 7.1 前言70-71
• 7.2 原理分析71-75
• 7.3 实验系统75-77
• 7.4 计算机模拟和实验77-81
• 7.4.1 计算机模拟77-78
• 7.4.2 实验结果与讨论78-81
• 7.5 与传统无透镜菲涅耳全息成像方法的比较81-83
• 7.6 本章小结83-85
• 第八章 基于微孔阵列抽样的波前斜率测量方法研究85-99
• 8.1 微孔阵列波前斜率测量原理85-89
• 8.2 选择模板区域计算光板重心坐标89-90
• 8.3 微圆环和微圆孔的近场衍射分析90-96
• 8.3.1 微圆孔和环的菲涅尔衍射90-92
• 8.3.2 焦斑的位置以及焦斑大小与衍射孔径的关系92-96
• 8.4 圆与环的定位精度分析96-97
• 8.5 圆孔与圆环阵列波前重建波前分析97-98
• 8.6 本章小结98-99
• 第九章 总结和展望99-102
• 9.1 本论文的主要工作99-101
• 9.2 拟进一步开展的工作101-102
• 参考文献102-108
• 攻读学位期间发表的学术论文与专利108-109
• 致谢109

【参考文献】

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  本文关键词：基于抽样的波前相位恢复和相干衍射成像方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：442121