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光子学报 2008年第11期37卷 2332-2335页

作者：冯婕周仁魁赵建科袁湘兰陈永权张周峰中国科学院西安光学精密机械研究所西安710119 中国科学院研究生院北京100049

针对talbot自成像与几何光学成像毫无关系的传统观点,本文提出了一种用于几何光学成像原理和物理光学成像原理对光栅成像进行对比分析的方法,发现在某一特殊的talbot成像距离处,光栅自成像和几何成像有相同的成像规律,当光源为单色光照... 详细信息

针对talbot自成像与几何光学成像毫无关系的传统观点,本文提出了一种用于几何光学成像原理和物理光学成像原理对光栅成像进行对比分析的方法,发现在某一特殊的talbot成像距离处,光栅自成像和几何成像有相同的成像规律,当光源为单色光照射时可以认为光栅的几何成像实际上是某一个特殊位置的talbot像.

关键词： talbot自成像几何成像信息光学透镜后置几何畸变

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非线性talbot效应中相位特性的研究

非线性Talbot效应中相位特性的研究

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作者：魏敦钊南京大学

学位级别：硕士

1785年David Rittenhouse首次发明了衍射光栅并观察到光栅的衍射效应。1836年,H. F. talbot将光栅衍射效应的观察距离从夫琅和费远场衍射区域扩展到了菲涅尔近场衍射区域,并在近场区域的某些特定位置处首次观察到了与光栅结构类似的强... 详细信息

1785年David Rittenhouse首次发明了衍射光栅并观察到光栅的衍射效应。1836年,H. F. talbot将光栅衍射效应的观察距离从夫琅和费远场衍射区域扩展到了菲涅尔近场衍射区域,并在近场区域的某些特定位置处首次观察到了与光栅结构类似的强度图像,该现象随后由Lord Rayleigh于1881年从理论上给予证明。为了纪念H.F. talbot,后人也将这种周期性结构物体的无透镜成像效应称为talbot效应。为了区别当今的非线性talbot效应、X射线talbot效应、电子talbot效应、量子talbot效应等,我们在此称之为传统talbot效应。传统talbot效应在长达180年研究历程中主要集中在改变光源的特性或改变光栅的结构,其研究范围相当有限。而张勇课题组在2010年报道的非线性talbot效应——周期性极化钽酸锂(PIPLT)晶体产生的二次谐波在自由空间中的自成像效应,突破了传统talbot效应中的材料体系,将talbot效应发展到非线性光学领域中。在非线性talbot效应被报道之后,张勇课题组又报道了分数非线性talbot效应,呈现了分数自成像面处二次谐波所形成的强度图像的周期加倍特性和图像旋转平移特性。随后,张勇课题组又巧妙地利用非线性晶体固有的声光效应和铁电畴设计引入的倒格矢,相继发表了声光可调非线性talbot效应、准相位匹配引入的非线性talbot效应。然而以上几个工作中,重点关注的是周期性二次谐波在自由空间中的成像效应——二次谐波强度图像,却没有涉及成像中的相位信启、。而二次谐波的相位确是非线性talbot效应形成主要原因。激光通过PPLT晶体的正畴和负畴激发产生的二次谐波具有π相位差,并且结构的周期性也使这样的π相位差呈现周期性分布,从而满足了talbot效应的充分条件——周期性光场。因此,研究白成像的相位信息将有助于我们更加透彻地理解非线性talbot效应和分数非线性talbot效应,进而扩展非线性talbot效应的应用领域。在研究PPLT晶体产生的相差π相位的二次谐波在自由空间中的传播特性和叠加特性的过程中,得出了以下结论。1、从理论推导中发现,PPLT晶体正畴和负畴产生的二次谐波具有π相位差产生的原因是极化过程使晶体的物理系坐标系发生转变,进而改变了相应的二阶非线性系数的符号。2、晶体的旋转操作也可以相应地改变二阶非线性系数的符号,进而改变二次谐波的偏正方向和相位。这样的简便操作可以方便地改变参考光的相位,实现参考光与信号光的选择性干涉。3、通过参考光与PPLT产生的信号光干涉,相差π相位的二次谐波被成功分离开,并分别独立研究它们的传播特性。从中发现,正畴或负畴产生的周期性二次谐波均能实现自成像效应,而且它们的叠加正好复原了PPLT晶体产生的非线性talbot效应。4、在自成像位置处,正畴和负畴产生的二次谐波正好互补,可以看成是强度叠加。而在其他成像位置处,正畴和负畴产生的二次谐波确是复振幅的叠加。它们的相互干涉使得在有些成像距离处形成一系列聚焦光斑,在有的成像距离处它们各自形成一套四角点阵,嵌套在一起。

关键词： talbot自成像二次谐波 PPLT晶体菲涅尔成像干涉

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光子对周期性空间信息的记忆与再现

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光电工程 2006年第5期33卷 57-61页

作者：张成义陶纯堪高万荣南京理工大学电光学院

通过对空间周期性物屏衍射特征的分析与归纳,提出光经空间周期性物屏衍射和自成像的过程,就是光子对物屏的周期性空间信息的记录和再现的过程。根据这一观点,自然地导出了talbot自成像公式,与采用波动性观点的惠更斯-菲涅耳原理和Fourie... 详细信息

通过对空间周期性物屏衍射特征的分析与归纳,提出光经空间周期性物屏衍射和自成像的过程,就是光子对物屏的周期性空间信息的记录和再现的过程。根据这一观点,自然地导出了talbot自成像公式,与采用波动性观点的惠更斯-菲涅耳原理和Fourier变换等传统方法所得结论相同。这样,便于对光子信息传递特征的认识,有助于对talbot成像中调节参数物理意义的理解。由于数学处理方法简明扼要,该方法易于推广和应用。

关键词：光子图像复原衍射图像 talbot自成像

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双同心圆光栅二维平面位移测量术

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四川大学学报（自然科学版） 2008年第2期45卷 301-306页

作者：朱海军苏显渝四川大学光电科学技术系成都610064

通过对两个同心圆光栅干涉产生莫尔条纹过程的分析,提出了一种测量二维平面位移的方法.首先,建立了两个同心圆光栅的数学模型,通过对莫尔条纹图进行低通滤波,提取出纯莫尔条纹.其次,利用傅里叶级数变换,相位分析计算出两同心圆圆心之间... 详细信息

通过对两个同心圆光栅干涉产生莫尔条纹过程的分析,提出了一种测量二维平面位移的方法.首先,建立了两个同心圆光栅的数学模型,通过对莫尔条纹图进行低通滤波,提取出纯莫尔条纹.其次,利用傅里叶级数变换,相位分析计算出两同心圆圆心之间的偏心角和偏心距.同时讨论了噪声对测量精度的影响.计算机模拟实验结果证明,该方法具有较高的测量精度.当偏心距在20个像素以内时,偏心角测量最大误差小于0.002弧度,偏心距测量最大误差小于0.04个像素,且有较好的抗噪性.

关键词：同心圆光栅莫尔条纹位移测量 talbot自成像

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双同心圆光栅二维平面位移测量术

双同心圆光栅二维平面位移测量术

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作者：朱海军四川大学

学位级别：硕士

测量技术与国民经济的各个部门、科学技术各个领域的发展都有着十分密切的联系。高精度的平面位移测量一直是精密测量领域研究的热点。现代科学技术的飞速发展，特别是信息技术、MEMS技术、纳米技术、航空航天技术的发展，对测量技术提... 详细信息

测量技术与国民经济的各个部门、科学技术各个领域的发展都有着十分密切的联系。高精度的平面位移测量一直是精密测量领域研究的热点。现代科学技术的飞速发展，特别是信息技术、MEMS技术、纳米技术、航空航天技术的发展，对测量技术提出愈来愈高的要求。在微位移测量方法中，光栅测量技术具有精度高、量程大、对测量环境要求相对较低等优点而广泛应用，特别是近年来光栅测量系统向纳米级精度发展，为光栅在高精度测量应用中提供了广阔的应用前景。现代精密测量技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术为一体的综合性交叉学科，涉及广泛的学科领域，它的发展需要众多相关学科的支持。综合当前精密测量技术的发展状况，精密测量技术普遍向着测量速度高、系统化、结构更为紧凑稳定、操作性和自动化水平进一步提高的方向发展。目前国内外能具有纳米级测量精度的方法中以隧道显微术(STM)、原子力显微术(AFM)技术的分辨率(0．1nm)与测量精度最高。用来探测纳米尺度的空间变化，这两种技术代表了现代测量进入分子与原子时代，但是目前这种仪器的测量范围较小，一般为几十微米且对测量环境要求苛刻，需要采取良好的隔振措施和配备复杂的传感器运动伺服控制系统，仪器价格昂贵。1960年激光器问世以来，由于激光具有单色性、相干性和方向性好、光强度高等特点，很快成为精密光学测量的理想光源，各种类型的激光干涉仪均以真空中的激光波长作为长度测量基准，不仅能实现高精度的快速非接触测量，而且系统结构简单、成本低，因此在超精密测量领域得到了迅速发展。二维同心圆光栅测量技术具有一维光栅测量的优点，又可同时对两个方向的平面微位移进行测量，为高精度二维平面位移测量提供了一种解决的方法，因此对同心圆光栅在精密测量应用中的研究具有现实意义。本论文主要对同心圆光栅平面位移测量系统及其关键技术进行了理论和试验研究，论文的主要研究内容和结果如下：1．建立了两个同心圆光栅的数学模型，对两个同心圆光栅干涉产生莫尔条纹过程进行了分析，提出了一种测量二维平面位移的方法。2．通过对莫尔条纹图进行低通滤波，提取出纯莫尔条纹。然后，利用傅里叶级数变换，相位分析计算出两同心圆圆心之间的偏心角和偏心距。3．讨论了噪声以及圈数差对测量精度的影响。计算机模拟实验结果证明该方法具有较高的测量精度。当偏心距在20个像素以内时，偏心角测量最大误差小于0．002弧度，偏心距测量最大误差小于0．04个像素，且有较好的抗噪性。

关键词：同心圆光栅莫尔条纹位移测量 talbot自成像

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基于热光关联的时域成像研究

基于热光关联的时域成像研究

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作者：张瑞雪天津理工大学

学位级别：硕士

关联成像是基于热光场的强度涨落关联来获得物体的像的新型成像技术。时域信号在光纤等色散介质中传输会失真从而影响信号的重建,本文将热光场关联及强度关联测量引入到时域中来实现对时域成像的研究,从波动方程出发分析了近轴衍射和脉... 详细信息

关联成像是基于热光场的强度涨落关联来获得物体的像的新型成像技术。时域信号在光纤等色散介质中传输会失真从而影响信号的重建,本文将热光场关联及强度关联测量引入到时域中来实现对时域成像的研究,从波动方程出发分析了近轴衍射和脉冲色散的空间-时间对应关系即空间-时间二象性(又称时空二象性),基于时空二象性研究了热光关联的一阶时域成像和二阶时域talbot自成像。第一章介绍了研究背景及选题意义。第二章介绍了光场关联和关联成像基础理论。第三章首先通过类比描述近轴衍射和脉冲色散的波动方程,从而得到两种情况下的光场传输与脉冲响应函数的关系,并通过脉冲响应函数的级联性得到了几种典型光学系统的时域脉冲响应函数。然后基于时空二象性设计了热光一阶关联的时域成像方案,得到了描述该时域成像的强度表达式,接着讨论了热光源的脉冲宽度和相干时间对成像质量的影响。结果表明随着光源脉冲宽度的增加,时域成像的可见度逐渐降低,但是时域物体的矩形波逐渐显现;而当脉冲相干时间增加时,像的分辨率降低但是可见度增加。因此需要适当选取光源的脉冲宽度和相干时间来兼顾可见度和分辨率以获取更高质量的像。本结果对于扩展利用关联测量的方法实现时域信号的再现具有重要意义。第四章基于时空二象性设计了实现基于热光关联的二阶时域talbot自成像方案并进行了理论研究,结果表明在满足talbot条件并且不需要额外的色散补偿或消除,就可以实现周期性时域信号的自成像,也可以实现时域信号周期的放大或缩小,这可为周期性信号在色散介质中的再现或频率的倍增提供新的理论支持和技术路径。

关键词：热光场关联强度关联时空二象性时域成像 talbot自成像

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