基于SLM变焦透镜的光强传输方程相位恢复

摘要

光波中包含了强度和相位信息。但是，光的振动频率很高，现有的图像采集设备只能检测到光的强度变化却丢失了相位，这很可惜，因为相位携带了物体的大部分信息。如何利用可以轻易获取的光强信息来恢复“丢失”的相位，即为相位恢复。目前，相位恢复技术已经运用在光学测量、光学相位显微、自适应光学、X射线衍射成像等众多领域。
　　基于光强传输方程的相位恢复作为典型的相位恢复方法之一，描述了光强轴向变化量与相位之间的定量关系，求解此偏微分方程即可直接定量地获取相位信息。因而该方法具有非干涉、非迭代、无需复杂的光学系巯、不依赖苛刻的实验环境等优势。求解光强传输方程所需要的光强轴向微分通常需要使用数值有限差分来近似，这需要记录沿光轴传播的两或多个垂直于光轴的平面上的光强信息，一般情况下是通过移动物体或者记录设备实现的，而这种机械移动的记录过程会降低数据采集的速度，同时引入一定的误差，丧失了其相对于迭代相位恢复方法的一大优势。本文研究了利用液晶空间光调制器对光场调制的便利性，将其引入基于光强传输方程的非干涉相位恢复中，从而解决上述问题的新方法。
　　论文主要研究工作和创新点如下:
　　(1)基于硅基液晶变焦透镜的光强传输方程相位恢复。提出将菲涅耳透镜相位函数编码到硅基液晶空间光调制器上，使其实现变焦透镜的功能，以代替传统的基于单透镜的光传输模型中的傅里叶透镜。通过改变加载的菲涅耳透镜相位函数的焦距值，可以在不移动采集设备的情况下采集到不同离焦距离处的光强图像，从而利用光强传输方程求解出相位。本文设计了相应地真实实验系统并进行了实验，表明该方法可快速有效地获得定量相位结果。
　　(2)基于空间光调制器变焦透镜与4f系统的光强传输方程相位恢复。通过在4f系统的傅里叶平面放置空间光调制器并在其上加载透镜相位函数，改变加载的透镜相位焦距值可以在同一成像面上获得具有不同离焦距离的光强图，实现快速精确非机械移动的可编程离焦光强图像采集系统，并使用傅里叶法对光强传输方程进行快速地求解。分别探讨了相干光场和部分相干光场中基于光强传输方程的相位恢复方法，在两种不同光源条件下给出了真实实验结果，验证了算法的有效性。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景与意义

1．2 研究现状

1．3 论文结构与主要工作

第二章 基础理论

2．1 标量衍射理论

2．1．1 菲涅耳衍射

2．1．2 角谱衍射

2．2 透镜成像系统与理论

2．2．1 透镜的相位调制作用

2．2．2 相位型菲涅耳透镜

2．2．3 4f成像系统

2．3 光场的相干性

2．3．1 时间相干性与空间性干性

2．3．2 互相干函数与互谱密度

2．3．3 准单色条件

2．4 本章小结

第三章 基于LCOS变焦透镜的光强传输方程相位恢复

3．1 相干光场光强传输方程

3．2 LCOS变焦透镜

3．3 基于LCOS变焦透镜的相位恢复方法

3．3．1 算法原理

3．3．2 实验系统与结果分析

3．4 本章小结

第四章 基于SLM变焦透镜与4f系统的光强传输方程相位恢复

4．1 相干光场基于SLM变焦透镜与4f系统的相位恢复

4．1．1 算法原理

4．1．2 实验系统与结果分析

4．2 部分相干光场基于SLM变焦透镜与4f系统的相位恢复

4．2．1 基本原理

4．2．2 实验系统与结果分析

4．3 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