散射介质光学传输矩阵测量及聚焦成像研究

论文摘要

在传统光学成像过程中,散射一直被认为是不利于成像或者阻碍成像的因素,而应该被尽可能避免。但是近年来,研究指出散射介质可以代替传统透镜实现超衍射极限聚焦和成像,使得散射成像成为光学领域的研究热点之一。常用的散射成像方法包括散斑相关成像技术、反馈控制调节技术以及光学相位共轭技术等,然而这些方法存在光学视场角受限、迭代次数多、成像带宽受限等缺点。为此,本论文着重研究了散射介质光学传输矩阵的测量方法,利用光学传输矩阵方法实现了透过散射介质的多种聚焦和成像效果,在单点聚焦、多点均匀聚焦、涡旋聚焦、灰度目标及运动目标成像、彩色3D聚焦等方面取得了创新,具体如下:(1)提出了一种任意步相移光学传输矩阵测量方法,缩短了散射介质光学传输矩阵的测量时间。本文提出的任意步相移干涉法相比于现有的全场三步相移干涉法和全场四步相移干涉法,在光学传输矩阵性质并未发生实质变化的前提下,测量时间缩短至2/3倍和1/2倍,该方法有助于动态散射成像的实现。(2)实现了透过散射介质的单点聚焦、多点均匀聚焦和涡旋聚焦。实验过程中,对于64~2×64~2的光学传输矩阵,结合TVAL3重建算法,实现单点聚焦的最大增强因子达到862,聚焦焦深达到5mm,验证了已知光学传输矩阵的散射介质的类透镜性质。通过使用伪逆算法、逐点平均聚焦方法以及涡旋相位,实现了对复杂目标的多点均匀聚焦和涡旋聚焦。(3)实现了透过散射介质的二值目标、灰度目标以及运动目标重构。针对现有方法大多只对二值目标进行成像的不足,本文使用两个相位模板方法及64~2×64~2的光学传输矩阵对灰度目标进行了目标重构。实验中,灰度数为141的目标的重构相似度和峰值信噪比分别为0.5625和39.68dB,针对运动目标的最大相似度和峰值信噪比则分别达到0.97和28.85dB,体现了光学传输矩阵法能够实现对运动目标追踪的能力。(4)仿真测量了散射介质的多波段光学传输矩阵,实现了透过散射介质的彩色聚焦和彩色成像。基于任意步相移干涉法,测量了对478nm,532nm以及633nm三个波长均适用的多波段光学传输矩阵,16~2×16~2矩阵的单点彩色聚焦平均增强因子为75,彩色聚焦焦深大小为2mm。最后,实现了对彩色3D聚焦和彩色成像的目标重构。综上,本文对散射介质光学传输矩阵方法的测量、利用光学传输矩阵实现聚焦和成像等进行了深入的研究,并从光谱以及实验装置两个角度对光学传输矩阵方法进行了广泛的讨论与探索,以上结果对光学传输矩阵的进一步发展和应用具有积极的作用。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王剑南

导师: 邵晓鹏

关键词: 散射介质,光学传输矩阵,聚焦,成像,任意步相移干涉法

来源: 西安电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,计算机软件及计算机应用

单位: 西安电子科技大学

分类号: O439;TP391.41

DOI: 10.27389/d.cnki.gxadu.2019.000311

总页数: 130

文件大小: 12684K

下载量: 206

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