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基于PIE相位恢复的成像光学元件检测技术研究

2020-12-08阅读(611)

基于PIE相位恢复的成像光学元件检测技术研究

论文摘要

光学成像是军事、科研、生产和生活等诸多领域中获取外界信息的最常见技术手段,成像系统的性能可用OTF(光学传递函数)准确描述。数学上OTF是成像系统出瞳孔径函数P(x,y)的归一化自相关,而大多数实际成像系统的P(x,y)是一个包括强度和相位的二维复值函数,因此OTF的测量实际上是对P(x,y)的强度和相位的测量。随着计算光学成像等先进技术的快速进步,理论上只要精确知道一个光学系统的OTF,就可以用数值计算的方法对其产生的光学像进行数值修正,得到理想的高分辨图像,传统的测量方法已经不能满足这些新技术的实际需求,必须发展新的方法对成像系统的光学特性进行精确二维检测。为了精确测量成像系统的出瞳透射函数P(x,y),本文提出了基于空域叠层扫描成像技术(PIE)和频域PIE的两种测量方法。其中,基于空域PIE的测量方法,在未引入待测成像系统时,扫描衍射物体记录一系列衍射强度分布,重建照明光波前和衍射物体的复振幅分布;之后将待测成像系统引入测量系统,扫描同样衍射物体再次记录一系列衍射强度分布,进而重建包含待测光学元件信息的波前信息。该方法直接测量系统对点物体成像时,系统出瞳面上的光束波前和理想汇聚球面波前的相位差来得到P(x,y)的相位分布,并以此为基础分解出各级几何像差系数。基于频域的PIE测量方法则使用发光二极管(LED)阵列代替传统照明光源,产生不同出射方向照明光,采集多幅低分辨率图像,实现对待测样品频谱信息的扫面,利用物、像和系统相关传递函数(CTF)之间的傅里叶关系,采用系列角度照明方法和迭代图像重建法,直接重建出二维CTF复振幅分布和超分辨图像。和传统的波前测量方法相比,所提出的两种方法都是采用共光路系统,而且不依赖于额外的参考光束,不仅具有紧凑的光学结构,还可避免参考光和系统振动所引起的误差,具有使用方便、分辨率高和精度高的系列优点。数值计算表明,这两种方法所得到的成像系统的像差系数误差都低于0.1%,实验结果表明实际测量误差低于1%。这两种技术的提出,解决了传统方法难以实现二维复值出射函数精确测量的关键技术问题,为光学成像元件的检测提供了全新检测方法,也为计算光学成像等新的成像技术的进一步发展提供新的技术手段。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 引言
  •   1.2 非定量光学元件测量方法
  •     1.2.1 星点测量法
  •     1.2.2 刀口阴影法
  •   1.3 定量光学元件测量方法
  •     1.3.1 干涉测量法
  •     1.3.2 全息测量方法
  •     1.3.3 Shcak-Hartmann测量方法
  •     1.3.4 Phase diversity测量方法
  •     1.3.5 MTF测量方法
  •   1.4 本文研究意义与结构内容
  • 第二章 相干衍射成像的基本理论和方法
  •   2.1 菲涅尔衍射和角谱理论
  •     2.1.1 菲涅尔积分
  •     2.1.2 角谱理论
  •   2.2 快速傅里叶变化
  •     2.2.1 快速傅里叶变换原理
  •     2.2.2 菲涅尔积分的快速傅里叶变化算法
  •     2.2.3 角谱理论的快速傅里叶变换算法
  •   2.3 传统相干衍射成像方法
  •     2.3.1 G-S算法
  •     2.3.2 Fienup算法
  •     2.3.3 多平面记录法
  •   2.4 Ptychographic Iterative Engine（PIE）相位恢复成像
  •     2.4.1 传统Ptychography成像
  •     2.4.2 PIE成像基本原理
  •     2.4.3 PIE成像的应用和发展
  •   2.5 本章小结
  • 第三章 基于PIE成像的光学元件测量
  •   3.1 成像系统波像差测量
  •     3.1.1 波像差简化模型
  •     3.1.2 波像差测量原理
  •   3.2 光学元件测量的PIE方法
  •     3.2.1 基于PIE成像的光学元件测量原理
  •     3.2.2 数值模拟及原理验证
  •     3.2.3 实验结果及数据分析
  •   3.3 本章小结
  • 第四章 基于频域PIE成像的光学元件测量
  •   4.1 频域PIE相位恢复成像
  •     4.1.1 频域PIE的基本原理
  •     4.1.2 频域PIE实验方法
  •     4.1.3 频域PIE的应用
  •   4.2 成像光学元件检测的频域PIE方法
  •     4.2.1 频域PIE透镜元件检测原理
  •     4.2.2 数值模拟和原理验证
  •     4.2.3 实验结果及数据分析
  •   4.3 本章小结
  • 主要结论与展望
  •   主要结论
  •   展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录:作者在攻读硕士学位期间发表的论文

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 纵榜铭

    导师: 刘诚

    关键词: 光学元件,像差测量,相干衍射成像,空域叠层扫描技术,频域叠层扫描技术

    来源: 江南大学

    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: 江南大学

    分类号: TP391.41;O439

    总页数: 63

    文件大小: 4671K

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