【摘 要】
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光是人们感知环境的重要媒介。对于传统的成像系统,当被观测物与探测器之间不存在障碍物时,系统可以实现直接成像;当被观测物与探测器之间存在障碍物时(如:烟雾、毛玻璃、生物组织等),传统成像系统将不再适用,这是由于光子通过这些障碍物时在内部发生相互作用后改变了原来的传播方向,使得光波出射后丢失了大量的光场信息,这也成为光学成像领域亟待解决的重要问题。针对这一难题,近年来已经提出了自适应光学、全息成像、波
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光是人们感知环境的重要媒介。对于传统的成像系统,当被观测物与探测器之间不存在障碍物时,系统可以实现直接成像;当被观测物与探测器之间存在障碍物时(如:烟雾、毛玻璃、生物组织等),传统成像系统将不再适用,这是由于光子通过这些障碍物时在内部发生相互作用后改变了原来的传播方向,使得光波出射后丢失了大量的光场信息,这也成为光学成像领域亟待解决的重要问题。针对这一难题,近年来已经提出了自适应光学、全息成像、波前整形、时间反演和散斑相关成像等技术。本文重点以散斑相关成像方法为核心进行研究,传统的散斑相关成像系统利用高速旋转的磨砂玻璃片来制备赝热光源,但该方法存在的机械振动对成像系统会产生影响,对此,本文选择利用空间光调制器来制备赝热光源。首先对空间光调制器的基本概念和工作原理进行了介绍,搭建泰曼-格林干涉实验系统和振幅测量实验系统,测量了本课题所用的液晶空间光调制器的相位和振幅调制特性,并绘制了相位和振幅调制特性曲线。散斑相关成像方法利用了磨砂玻璃片的统计特性、强散射特性和光学角度记忆效应。因此本文详细介绍了散斑的理论特性,包括散斑的起因和分类,理论给出了散斑的相关函数和功率谱密度函数,然后基于散斑相关函数重点引出了光学角度记忆效应原理,最后实验验证了随着入射角度的增加,像平面的“块状散斑”逐渐失去相关性。利用光学角度记忆效应,搭建了基于空间光调制器的散斑相关成像模型,该模型通过对探测器接收到的散斑图像进行自相关运算并结合相位恢复算法实现了对隐藏在散射介质后的目标物体的高分辨率成像,本文使用基于扫描近似信息传递的相位恢复算法,弥补了基于交替投影算迭代算法的鲁棒性差的缺陷。通过实验从静态和动态目标两方面验证了该方法的可行性,在运动物体成像中利用散斑差值自相关和互相关算法实现了对不同移动距离的目标物体成像和运动目标的实时跟踪定位,实验结果表明跟踪定位偏差率最大为3.4%,最小可达0.38%。与传统成像方法相比,该方法具备了非侵入性、高分辨率、高鲁棒性和便于集成小型化等优点。通过实验从光强概率密度函数和二阶关联两个指标探究了不同调制方式产生的赝热光源质量的差异,实验结果表明基于液晶空间光调制器纯相位调制产生的赝热光源的光强概率密度函数服从负指数分布,二阶关联值达到1.9左右,而基于数字微镜器件的二阶关联值为1.45左右。基于纯相位调制产生的赝热光源用于成像系统后的重构图像峰值信噪比和结构相似度均大于基于纯振幅调制的重构图像。
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