基于鬼成像的相位重建理论研究
鬼成像是最近20年发展起来的新型的成像技术，它利用量子或者经典关联的光场通过测量强度涨落的关联来非局域地获得物体的图像。实际应用中用的一般都是经典光场的鬼成像。对于经典关联的非相干光场来说，入射光分束以后经过两条光路，一条光路并不包含物体我们称之为参考光路，另外一条光路则包含物体我们将其称为测试光路，通过对两条光路的强度进行关联计算得到物体的像。需要强调的是，测试光路的探测器是没有分辨率的点探测器(point detector)或者桶探测器(bucket detector)。所以鬼成像具备了非局域成像和单像素成像的特点，能够在并不包含物体信息的光路中恢复出物体的像，已经引起了研究者们的广泛研究兴趣。经过研究者们的不断努力，鬼成像技术慢慢由理论走向实际，并成功应用于显微成像、军事侦察、对地观测等领域。鬼成像技术一般只恢复出了物体的振幅信息，但是物体的相位分布信息则完全丢失了。于是近年以来也有不少研究者开始着手于利用鬼成像技术实现物体相位的恢复的研究，但是这些方法一般都需要大量的迭代运算或者复杂的实验光路。在本论文中，我们从理论上提出了几种新的基于鬼成像的相位重建方法，通过对常规的鬼成像或鬼衍射光路进行相对简单的调制，能够不需要进行迭代计算便可以直接获取未知物体的相位信息。本文主要包括以下几个方面的内容： (1)通过鬼衍射实现透射物体的相位重建。常规鬼衍射的参考光路一般都是不放任何物体的。我们改进的鬼衍射方案在参考光路放置了四个参考屏，并利用四步相移法简便地恢复未知物体的相对相位分布。我们的方法避免了通常的相位恢复算法所需要的迭代运算，同时在光路方面只需要对常规的鬼衍射光路稍加变化，不需要很复杂的光路设计。而且给出了该方案详细的理论解释和相应的数值模拟结果。 (2)通过鬼衍射实现反射物体的相位重建。据我们所知，在这之前还没有人做过反射鬼衍射中的相位重建的工作。基于上述鬼衍射的相位重建工作，我们通过优化设计，在反射鬼衍射的参考光路上放置三个参考屏幕，利用三步相移法实现反射物体的相位重建。我们从理论跟数值模拟这两个方面详细介绍了我们的反射鬼衍射相位恢复方案。我们同样的考虑了光源的非相干性、物体表面粗糙度、入射角跟反射角对反射鬼衍射相位恢复的影响。该方案同样具备不需要数值迭代和较简单的光路设计方面的优点。 (3)通过鬼成像实现透射物体的直接相位重建。我们在研究中注意到如果把通常的鬼成像系统中的探测器改成一个点探测器，那么鬼成像实际上可以实现相干成像的效果。通过对光源进行调制，我们提出了一种五步相移法来获取鬼成像中的相对相位恢复。这种方案比上述两种方案更好，因为它不再需要傅里叶反变换，也不需要在参考光路放置参考屏幕。初步的数值计算结果也表明了鬼成像直接相位恢复技术的可行性。 最后，总结全文，展望了未来的研究方向和研究内容。
鬼成像;相位重建;测试光路
华南理工大学
博士
物理电子学
程静
2019
中文
TP391.41;O436.1
2020-07-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）