螺旋相位板及其在光学信息处理中的应用研究

摘要

螺旋相位板(Spiral Phase Plate，简称SPP)是一种光学厚度与旋转方位角成正比的纯相位衍射光学元件，入射平面波通过SPP的出射光束具有螺旋相位波前。SPP作为一种新型的衍射光学元件，已在光信息处理、光学微操纵、生物医学、形貌测量、天文观测等诸多领域得到实际应用。目前，对SPP的研究已经发展为现代光学的一个重要领域。本论文主要研究螺旋相位板作为一种新型滤波器在光学信息处理中的应用，如实现径向希尔伯特变换、产生任意形状和阵列光学涡旋、螺旋相衬显微成像以及基于螺旋相位滤波的相移数字全息等。论文的主要内容包括以下几个方面： 1.概述了螺旋相位板的基本结构、主要类型、研究进展以及主要应用。 2.介绍了螺旋相位板的衍射基本理论，并系统地分析了阶梯型螺旋相位板的涡旋输出特性。另外，还介绍了其他几种常见的实现螺旋相位变换的方法：液晶空间光调制器法、干涉型全息图法和相息图法，以及各种方法的优缺点。 3.分析了螺旋相位滤波成像系统的基本理论及其基本特性，介绍了螺旋相位板在光信息处理中的主要应用，包括基于螺旋相位滤波器的径向希尔伯特变换、螺旋相位滤波产生任意形状和阵列光学涡旋以及螺旋相衬成像，并对螺旋相衬成像的相关结论进行了数字模拟验证。 4.在相移数字全息的理论基础上，基于螺旋相位滤波器的特点，提出了一种共路相移数字全息成像系统——基于螺旋相位滤波的共路相移数字全息系统：在成像系统的频谱面上放置一个中心带有一通光孔径的螺旋相位板，在输出面上记录输入物体经螺旋相位滤波后的输出像；如果将螺旋相位板绕轴旋转一定角度，则通过中心光孔的零频成分与其他高频成分之间会产生一个与旋转角度成正比的相移。利用这一特点，我们可以通过记录多幅对应不同旋转角度的输出光场的强度分布图，再利用一定的相移算法来实现纯相位或一般复振幅物体的记录和再现。通过对上述方法的理论分析和计算机模拟实验研究，证明了该方法是实际可行的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章综述

1.1螺旋相位板的研究进展及主要应用

1.2本论文的主要研究内容

第二章螺旋相位板的衍射特性

2.1螺旋相位板

2.2阶梯型螺旋相位板及其涡旋谱分析

2.2.1阶梯型螺旋相位板的涡旋谱分析

2.2.2阶梯型螺旋相位板涡旋谱的数字模拟

2.3螺旋相位变换的计算全息法

2.3.1干涉型计算全息图法

2.3.2相息图法

2.4小结

第三章螺旋相位滤波成像系统及应用

3.1螺旋相位滤波成像系统的基本理论

3.2产生任意形状光学涡旋和阵列光学涡旋的螺旋相位滤波法

3.3基于螺旋相位滤波器的径向希尔伯特变换

3.3.1径向希尔伯特变换

3.3.2基于Laguerre-Gaussian空间滤波器的径向希尔伯特变换

3.4螺旋相衬成像

3.5小结

第四章基于螺旋相位滤波的相移数字全息

4.1相移数字全息

4.2基于螺旋相位滤波的共路相移数字全息

4.2.1理论分析

4.2.2数字模拟再现

4.2.3分析讨论

4.3小结

第五章总结

5.1本论文完成的主要工作

5.2拟进一步开展的工作

参考文献

攻读硕士学位期间发表的文章目录

致谢