基于相空间光学的光场相机应用研究

论文摘要

相空间源于经典理论物理,在光学领域指的是使用位置坐标与波矢坐标来共同描述光场信息,使复杂的二维复变函数问题变成高维的实密度函数的一种理论方法。该方法用于描述光学对象时,能够同时使用目标本身和传输介质导致的相位分布,信息更完备,也更一致。使用该理论在处理复杂光场的传输、变换及信息提取问题时,可用的数学工具更多,便于采用成熟的图像处理方法。这些独特的优势使得该理论能够解决很多传统方法无解的难题,例如扩展信标的大视场多视角波前探测、传输介质的湍流结构重建等。传统光学手段无法对密度函数进行实时高分辨率采样,严重制约了该理论走向工程应用。光场相机能够同时记录同一物点所有方向上光线的强度,包含了密度函数所需的空间坐标和波矢坐标,是解决这一问题的有力工具。本文分析了多种光场相机的特点,采用多焦距聚焦型结构设计了探测器件,实现了视场范围内复杂场景相空间密度函数的高分辨率采样;并基于相空间光学理论,改进了光场相机的信息提取算法,由此解算出全场高阶相位图谱,解决了诸如去湍流清晰成像、湍流结构重建、高动态三维点云解算以及扩展信标的多视角波前探测等难题,并提高了信息提取的准确度和稳定度。论文取得的主要研究成果和创新包括:1、推导了基于Radon变换的密度函数重建方法,提出了基于多层次强度信息的相位复原算法,并给出了仿真结果和光学实现方式,该方法通过获取光轴方向上若干层次的强度分布,来重建瞳面相位,复原精度随层次数量的增加逐步提高。2、设计、自研了一台多焦距聚焦型光场相机,给出了参数设计模型,分析了该相机的动态范围、对密度函数的采样分辨率等参数特性;基于相空间光学理论,优化了全视场二维相位图谱提取算法和系统参数标定算法,实现了不同景深、大视场目标物的多阶次信息提取与重建,针对多种应用场景进行了精度测试,取得了较好的结果。3、将相空间光学的研究方法、实现手段,初步应用到了阵列光束的外光路闭环控制上,实验验证了在解算出了指定发射方向上的大气畸变相位分布的基础上,就可以为每一路光束的指向修正提供依据,为多路光束合成系统走向工程化应用提供了技术基础。

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文章来源

类型: 博士论文

作者: 张烜喆

导师: 侯再红,杜少军

关键词: 相空间光学,聚焦型光场相机,全场相位图谱,去湍流清晰成像,三维点云,大视场多视角波前,阵列光束

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O439

DOI: 10.27517/d.cnki.gzkju.2019.000425

总页数: 139

文件大小: 12685k

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