基于强度关联实现物体经过散射介质的成像

作     者：陈丽 

作者单位：华侨大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈子阳

授予年度：2021年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 0803[工学-光学工程] 0702[理学-物理学] 

主      题：散射成像 强度相关 相移全息 相位重建 偏振 

摘      要：光学成像应用中,经常会受到云雾和生物组织等散射介质干扰,导致成像质量下降甚至无法成像。近年来,研究者针对此问题提出了诸多的解决方案,使得透过散射介质的成像成为可能。目前常用的几种散射成像技术包括波前整形技术、传输矩阵测量、散斑相关技术以及深度学习等。这些散射成像技术都会存在一些限制,比如成像视场受记忆效应限制、测量过程耗时、需要大量的数据等。为此,本论文利用基于强度相关的全息技术,提供另外一种散射成像方法。在强度相关的基础上,利用其他传统的全息技术,如离轴全息、相移全息等,实现物体经过散射介质的相位、振幅成像。本论文的主要研究工作概括如下:1.提出基于标量强度相关的相移数字全息技术,实现了复杂结构的物体经过散射介质的相位成像。空间光调制器SLM加载物体的相位,并同时引入相移,相机记录多张散斑图样,然后计算其强度相关函数,再利用范希特泽尼克定理将强度相关函数与散射之前的光强联系起来,最后通过相移的方法,从多张强度中求得物体的相位。将提出的散射成像技术与传统的相移数字全息技术进行了对比,实验结果表明两种技术的成像效果基本一致,但是传统的相移数字全息是在没有经过散射介质的情况下实现的。2.提出基于偏振强度相关的全息技术,通过相移全息的方法实现物体经过散射介质的相位成像;通过傅里叶变换的方法实现物体经过散射介质的振幅成像。实验对比了基于偏振强度相关的三种相移全息技术的重建效果;同时也测试了静态、有振动和动态环境下的物体经过散射介质的成像性能,结果表明这种技术能够很好的重建被散射物体的相位,有较强的抗干扰性。实验上通过散斑的强度相关运算和傅里叶变换操作,实现了从散斑场中测量被散射的涡旋光的拓扑荷数大小。3.利用基于强度相关的数字全息技术,实现透过散射介质的定量相位成像。实验上基于标量强度相关的离轴全息、相移全息和基于偏振强度相关的相移全息实现了物体相位的重建。通过计算成像视场角、峰值信噪比、结构相似因子等参数定量评价了这三种散射成像技术的性能。研究发现,相比其他两种标量散射成像技术,基于偏振强度相关的相移全息能够提供一种大视场、高信噪比的定量相位散射成像方式。4.提出波面复用的全息机制,并结合偏振强度相关技术,应用在透过散射介质的复振幅成像中。充分利用SLM的偏振调制和分区域调制特性,以及利用两正交偏振方向光的同轴传输特性,因此在不需要额外引入参考光的情况下,能够实现被散射物体的成像。该方案的实验装置比基于偏振强度相关的传统全息所用的装置更简单,因此具有较高的抗干扰性,即使在有外界扰动的情况下也能很好的重建物体相位。